Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне Российский патент 2022 года по МПК F42D3/04 F42D1/08 

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, а именно, к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах.

Разнопрочные массивы могут иметь зоны многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, имеющих различные прочности, положение и мощность по высоте взрываемого блока. Взрывание таких массивов приводит к неодинаковым размерам областей разрушения в указанных зонах. В силу большей крепости пород радиус зоны регулируемого дробления (ЗРД) в зоне многолетнемерзлых пород оказывается существенно меньше, чем в зонах сезонноталого слоя и таликовых прослоек. Это приводит к неравномерному дроблению массива и появлению негабаритов.

Известен способ взрывания разнопрочных массивов горных пород на открытых горных работах, включающий определение в процессе бурения наличие прослоев твердых и мягких пород, заряжание скважин рассредоточенными и размещенными по указанным прослоям зарядами взрывчатого вещества и взрывание зарядов взрывчатых веществ (ВВ) (см. Кутузов Б.Н. Методы ведения взрывных работ. Ч.1. Разрушение горных пород взрывом. М.: Изд-во «Горная книга», 2009. С. 420, рис. 9.10, а). Отмечено, что действие заряда наиболее эффективно, если промежутки между рассредоточенными зарядами заполнены забоечным материалом. Несмотря на это, указанные промежутки разрушаются при взрыве и продукты детонации ВВ из прослоя твердых пород проникают в прослои мягких пород. Это приводит к тому, что радиус ЗРД в крепких породах оказывается меньше, чем таковой в мягких породах, т.е. имеет место неравномерное дробление массива.

Способ взрывания на открытых разработках разнопрочных слоистых массивов горных пород с нижним менее прочным слоем породы и верхним более прочным слоем включает бурение скважин, их заряжание комбинированными скважинными зарядами ВВ, с размещением в нижней части скважин менее мощного ВВ, рассредоточением нижней и верхней частей зарядов породным инертным промежутком и размещением в верхней части скважин более мощного ВВ, забойку скважин и инициирование зарядов, с размещением менее мощного ВВ в нижней части скважин до уровня почвы более прочного слоя породы, при этом, инертный промежуток выполняют с высотой от 1,75 до 2,5 диаметра скважин, а инициирование зарядов осуществляют с опережающим короткозамедленным взрыванием верхней части зарядов относительно их нижней части (см. RU 2563893 С1, 27.09.2015, кл. F42D 1/08). Однако данный способ не обеспечивает эффективность разрушения разнопрочных горных пород в условиях многолетней мерзлоты с сезонноталым слоем и таликовыми прослойками.

Известен способ взрывного разрушения разнопрочных горных пород рассредоточенными и укороченными скважинными зарядами с кумулятивным эффектом (см. RU 2594236 С1, 10.08.2016, кл. F42D 1/08, F42D 3/04, E21C 41/26), включающий бурение основных рассредоточенных и дополнительных укороченных скважин с кумулятивным эффектом, определение в процессе бурения контура в плане, отметок почвы и кровли крепких включений, размещение в основных и дополнительных укороченных скважинах зарядов ВВ, забойку и взрывание. При заряжании дополнительных укороченных скважин, на дно скважины опускают пенопластовый цилиндр, длину которого определяют по формуле, затем опускают конус, диаметром, равным диаметру скважины с углом вершины от 90° до 30°, при этом высоту конуса определяют по формуле, далее закладывают заряд ВВ, количество которого рассчитывают по формуле. Взрывание рассредоточенных зарядов ВВ производят разновременно с опережающим короткозамедленным инициированием верхнего заряда. Взрывание заряда ВВ в дополнительных укороченных скважинах производят с короткозамедленным опережением от расположенных вблизи верхних рассредоточенных зарядов. Однако в данном способе не обеспечивается управление продуктами взрыва при разрушении многолетнемерзлых пород с сезонноталым слоем и таликовыми прослойками из-за «прострела» продуктов взрыва в них.

Также известен способ взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах, включающий определение в процессе бурения наличия зон многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, глубины расположения и их мощности, отметку контуров в плане и отметок кровли и почвы этих зон по глубине скважин (см. Николаев С.П. Эффективность взрывного рыхления сложноструктурных массивов с прослоями талых грунтов // Взрывное дело, №115/72, 2016. С. 77-85, рис. 2). При наличии сплошного заряда ВВ имеет место утечка («прострел») продуктов детонации в талые слои и пустоты, что приводит к резкому снижению эффективности разрушения мерзлых пород вследствие быстрого падения давления газов. Это подтверждается недостаточной проработкой мерзлых слоев породы и увеличенным выходом негабаритов. Для блокировки утечек продуктов детонации (ПД) в известном способе в зоне талого слоя в скважине размещают гидроизолирующий слой из промороженного шлама со льдом.

Недостатком известного способа является то, что слой из промороженного шлама при взрыве разрушается и открывается доступ к утечке ПД в талые слои. Это связано с тем, что со стороны талого слоя отсутствует противодавление взрывных газов.

По способу взрывания разнопрочных массивов горных пород, включающему определение в процессе бурения наличия зон многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, глубины расположения и их мощности, отметку контуров в плане и отметок кровли и почвы этих зон по глубине скважин (см. Мельников Н.В., Марченко Л.Н. Энергия взрыва и конструкция заряда. М.: Изд-во «Недра», 1964. С. 16, рис. 5), заряжание скважин осуществляют рассредоточенными и размещенными по указанным зонам зарядами взрывчатого вещества, диаметр которых равен диаметру скважин. Заряды ВВ отделяются друг от друга промежутками, которые заполняются песком и каменной мукой, получаемой при бурении. При этом более мощное ВВ размещают в той части зарядов, которая пересекает твердое включение (зону многолетнемерзлых пород). Однако, при взрыве зарядов ВВ в указанных зонах происходит разрушение промежутков и прорыв взрывных газов (продуктов детонации ВВ) от зоны многолетнемерзлых пород к зонам сезонноталого слоя и таликовых прослоек, что снижает эффективность дробления массива (неравномерное дробление).

Задачей, на которое направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности взрывания многолетнемерзлых горных пород, включающих сезонноталый слой, а также таликовые прослойки в многолетнемерзлых породах в виде различных прослоек и линз.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении эффективности и равномерности дробления разнопрочных массивов за счет увеличения ЗРД в многолетнемерзлых породах при блокировке утечек взрывных газов в сезонноталый слой и таликовые прослойки.

Для решения поставленной задачи способ взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах, включающий бурение взрывных скважин, определение в процессе их бурения наличия зон многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, глубины расположения и их мощности, отметку контуров в плане и отметок кровли и почвы этих зон по глубине скважин, заряжание скважин рассредоточенными и размещенными по указанным зонам зарядами взрывчатого вещества, диаметр которых равен диаметру скважин, размещение инертных промежутков между зарядами для исключения передачи детонации, размещение боевиков в зарядах взрывчатых веществ и взрывание зарядов взрывчатых веществ, отличается тем, что в зоне сезонноталого слоя и таликовой прослойки по центру коаксиально (соосно) скважинному заряду по его оси располагают ледяные цилиндры, а остальное пространство заполняют ВВ, причем, для обеспечения коаксиальности ледяные цилиндры имеют направляющие, при этом боевики в зарядах ВВ в зонах сезонноталого слоя и таликовой прослойки соединяют с соответствующими зарядами в зонах многолетнемерзлых пород проводниками детонации, для чего, заряды ВВ с ледяными цилиндрами в зоне сезонноталого слоя и таликовой зоны взрывают одновременно от детонаторов мгновенного действия, а заряды ВВ в зоне многолетнемерзлых пород – от боевиков зон сезонноталого слоя и таликовой прослойки, инициируемые через проводники детонации. Кроме того, ледяные цилиндры выполняют диаметром в 0,25 диаметра скважины с длинами, соответственно, равными мощности сезонноталого слоя и таликовой зоны, а направляющие - из гибкой проволоки.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, улучшение рыхления разнопрочных горных пород за счет рационального распределения энергии взрыва и увеличения общего времени воздействия взрыва на массив в процессе взрывной отбойки.

Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фигуре 1 представлены схема формирования ледяного цилиндра в скважине с разрезом по линии А-А (А) и вариант исполнения цилиндра в виде треугольной призмы (Б); на фигуре 2 - принципиальная схема способа взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах и формирования зарядов в скважине.

По настоящему изобретению в зоне сезонноталого слоя 1 и таликовой прослойки 2 по центру коаксиально скважинному заряду размещают ледяной цилиндр 6 длиной, равной мощности сезонноталого слоя и таликовой прослойки (см. фиг. 2). Причем для обеспечения коаксиальности ледяной цилиндр 6 заранее снабжен направляющими 12, по меньшей мере, с трех сторон по диаметру скважины 4, выполненные, например, из гибкой проволоки (см. фиг. 1).

Для взрывания зарядов ВВ 5 в зоне многолетней мерзлоты в них размещают боевики 8. В зонах сезонноталого слоя 1 и таликовой прослойки 2 располагают боевики 13 и соединяют их с поверхностной взрывной сетью. Боевики 13 соединяют через инертные промежутки 7 с соответствующими зарядами ВВ 5 в зоне многолетнемерзлых пород 3 проводниками детонации 11, например, детонирующим шнуром или ударно-волновой трубкой. При этом взрывают предварительно и одновременно от детонаторов мгновенного действия заряды ВВ 14 в сезонноталом слое 1 и таликовой прослойке 2, а от боевиков 13 посредством проводников детонации 11 взрывают заряды ВВ 5 в зоне многолетнемерзлых пород 3.

При таком способе взрывания ледяные цилиндры измельчаются и испаряются, существенно повышая давление в сезонноталом слое и таликовой прослойке. Это препятствует прорыву взрывных газов от взрыва зарядов в зоне многолетнемерзлых пород всезонноталый слой и таликовую прослойку.

Давление водяных паров, образующихся при испарении ледяного цилиндра, выше 3-4 раза давления взрывных газов (продуктов детонации) заряда в сезонноталом слое и таликовой прослойке. Это связано с тем, что молярная масса молекул воды в разы меньше таковой для сложных молекул взрывчатых веществ. В первом приближении, считая, что для взрывных газов выполняется закон Клапейрона-Менделеева, давление газов обратно пропорционально молярной массе газов и, соответственно, давление паров воды будет больше, чем давление взрывных газов. В связи с этим, диаметр ледяных цилиндров можно установить на уровне 0,25 диаметра скважины.

Определение наличия зон сезонноталого слоя и таликовой прослойки во вмещающих крепких многолетнемерзлых породах, контура в плане и отметок кровли и почвы этих зон позволяет установить параметры залегания указанных зон внутри разрушаемого массива, в том числе их мощность по глубине конкретных скважин, скорректировать конструкцию и параметры скважинных зарядов ВВ, необходимые места размещения ледяных цилиндров по глубине скважин.

Заряжание скважин зарядами ВВ, диаметр которых равен диаметру скважин, позволяет упростить процесс заряжания, максимально использовать объем скважин и увеличить выход горной массы с одного погонного метра скважины.

Изготовление ледяных цилиндров 6 может быть выполнено следующим образом (см. фиг. 1А). Для формирования направляющих 12 через рукав, например, из полиэтилена, длиной, равной мощности таликовой зоны или сезонноталого слоя, определенного диаметра, пропускают, по меньшей мере, три гибкие проволоки, закрученные в виде кольца, которых расправляют на три стороны так, чтобы между ними был равный угол (например, по 120⁰). Затем завязывают нижнюю часть рукава вместе с гибкими проволоками и в вертикальном положении заполняют водой и замораживают в таком виде. Получаемый ледяной цилиндр 6 при опускании в скважину 4 посредством проволочных направляющих 12 легко позиционируют по центру, кроме того, пространство, образованное направляющими 12 между стенкой скважины 4 и поверхностью цилиндра 6 способствует пропусканию проводников детонации, боевиков и размещению заряда ВВ вокруг ледяного цилиндра 6. Вместо ледяного цилиндра с направляющими можно использовать ледяную треугольную призму, изготовленную по диаметру скважины (см. фиг. 1Б).

Пример конкретного выполнения заявленного технического решения (см. фиг. 2).

По данным геокриологической службы предприятия определяется местоположение, глубина и мощность зон сезонноталого слоя 1 и таликовой зоны 2 в массиве многолетнемерзлого породного массива 3, контуры в плане и отметки кровли и почвы этих зон. По результатам предыдущих взрывов определяется количества скважинного заряда.

С учетом конкретных условий определяют по общеизвестным методикам или результатам предыдущих взрывов в аналогичных условиях параметры вертикальных скважинных зарядов ВВ, включая их диаметр (диаметр скважины), без учета наличия зон сезонноталого слоя 1 и таликовой зоны 2, т.е. исходя из свойств вмещаюших многолетнемерзлых пород 3.

В соответствии с найденными значениями сопротивления по подошве уступа и длины (глубины) скважин бурят взрывные скважины 4 диаметром по принятой на данном предприятии сетке скважин.

В процессе бурения скважин по изменению скорости бурения, цвета и состояния выдаваемых на поверхность продуктов разрушения уточняют, если это необходимо, наличие, контур в плане, отметки кровли и почвы и мощность зон сезонноталого слоя 1 и таликовой зоны 2 по глубине каждой скважины 4.

Затем производят заряжание скважин 4 зарядами ВВ 5, 14, диаметр которых равен диаметру скважин. Заряжание предварительно производят от дна скважины до почвы таликовой зоны 2. После этого опускают и устанавливают боевик 8 с проводником детонации 11, после чего, размещают инертный промежуток 7 (песок или каменная мука). При этом проводник детонации 11 пропускают через инертный промежуток 7. Далее устанавливают ледяные цилиндры 6, боевик 13 и заряд ВВ 14 для таликовой зоны 2, соединенный с проводником детонации 9. Выполняя аналогичные операции, продолжают зарядку ВВ до проектной высоты заряда. Соответственно, заряды ВВ 14 в зонах сезонноталого слоя 1 и таликовой прослойки 2 имеют вид полого цилиндра.

В процессе заряжания скважин выполняют монтаж внутрискважинных взрывных сетей, соединяя боевик 8 заряда ВВ 5 в зоне многолетней мерзлоты проводником детонации 11 с боевиком в талой зоне 13, выводные проводники детонации 9 с поверхностной сетью, а по окончании заряжания размещают забойку 10 верхней незаряженной части скважин.

В первую очередь, с помощью электродетонатора взрывают одновременно и мгновенно боевики 13 в зонах сезонноталого слоя 1 и таликовых прослоек 2, от взрыва которых детонируют проводники детонации 11 и взрывают боевики 8 зарядов ВВ 5 в зоне многолетнемерзлых пород 3.

Использование заявленного изобретения обеспечит улучшение технико-экономических показателей рыхления разнопрочных горных пород за счет рационального распределения энергии взрыва и увеличения общего времени воздействия взрыва на массив в процессе взрывной отбойки.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам взрывной отбойки горных пород от массива, а именно к способам взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах. Способ взрывной отбойки горных пород от массива включает бурение взрывных скважин, определение в процессе их бурения наличия зон многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, глубины расположения и их мощности, отметку контуров в плане и отметок кровли и почвы этих зон по глубине скважин, заряжание скважин рассредоточенными и размещенными по указанным зонам зарядами взрывчатого вещества, диаметр которых равен диаметру скважин, размещение инертных промежутков между зарядами взрывчатого вещества для исключения передачи детонации, размещение боевиков в зарядах взрывчатого вещества и взрывание зарядов взрывчатого вещества. При этом в зоне сезонноталого слоя 1 и таликовой прослойки 2 по центру заряда взрывчатого вещества коаксиально располагают ледяные цилиндры 6, а остальное пространство заполняют взрывчатым веществом 5, 14, причем для обеспечения коаксиальности ледяные цилиндры 6 имеют направляющие 12, при этом боевики 13 в зарядах взрывчатого вещества 14 в зонах сезонноталого слоя 1 и таликовой прослойки 2 соединяют с соответствующими зарядами в зонах многолетнемерзлых пород 3 проводниками детонации 9, например детонирующим шнуром или ударно-волновой трубкой, при этом заряды 14 с ледяными цилиндрами 6 в зоне сезонноталого слоя 1 и таликовой зоны 2 взрывают одновременно от детонаторов мгновенного действия, а заряды 5 в зоне многолетнемерзлых пород 3 – от проводников детонации 11. Технический результат заключается в повышении эффективности и равномерности дробления разнопрочных массивов за счет увеличения зоны регулируемого дробления в многолетнемерзлых породах при блокировке утечек взрывных газов в сезонноталый слой и таликовые прослойки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне на открытых горных работах, включающий бурение взрывных скважин, определение в процессе их бурения наличия зон многолетнемерзлых пород, сезонноталого слоя и таликовых прослоек, глубины расположения и их мощности, отметку контуров в плане и отметок кровли и почвы этих зон по глубине скважин, заряжание скважин рассредоточенными и размещенными по указанным зонам зарядами взрывчатого вещества, размещение инертных промежутков между зарядами взрывчатого вещества, размещение боевиков в зарядах взрывчатого вещества и взрывание зарядов взрывчатого вещества, отличающийся тем, что в зоне сезонноталого слоя и таликовой прослойки по центру заряда взрывчатого вещества коаксиально располагают ледяные цилиндры, а остальное пространство заполняют взрывчатым веществом, причем для обеспечения коаксиальности ледяные цилиндры дополнительно снабжены направляющими, при этом боевики в зарядах взрывчатого вещества в зонах сезонноталого слоя и таликовой прослойки соединяют с соответствующими зарядами в зонах многолетнемерзлых пород проводниками детонации, пропущенными через инертные промежутки, для чего заряды с ледяными цилиндрами в зоне сезонноталого слоя и таликовой зоны взрывают одновременно и мгновенно, а заряды в зоне многолетнемерзлых пород – от боевиков зон сезонноталого слоя и таликовой прослойки, инициируемые через проводники детонации.

2. Способ взрывания разнопрочных массивов горных пород в криолитозоне по п. 1, отличающийся тем, что ледяные цилиндры выполняют диаметром в 0,25 диаметра скважины и длинами, равными мощности сезонноталого слоя и таликовой зоны.