Рукав асимметричной конструкции для заряжания восстающих скважин эмульсионным взрывчатым веществом Российский патент 2023 года по МПК F42D1/08 F42D1/10 F42B3/87 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при производстве взрывных работ в породах любой степени обводненности и трещиноватости в условиях подземных выработок при одиночном и веерном заряжании восстающих скважин водоэмульсионными (и водногелевыми) взрывчатыми веществами (ЭВВ).

Применение тканевых рукавов при создании нисходящих скважинных зарядов ЭВВ нашло достаточно широкое распространение в практике горных работ (RU 2104473, Тогунов М.Б. «Повышение эффективности взрывания горных пород эмульсионными ВВ» / М.Б. Тогунов, С.В. Семкин // В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2009). В качестве основных преимуществ использования рукавов указывают на снижение стоимости взрывной скважины, обусловленное уменьшением удельного расхода ВВ, меньшую экологическую нагрузку на окружающую среду и более равномерное дробление взорванной горной массы (Прокопенко B.C. Физико-технические основы разрушения скальных пород взрывами скважинных зарядов взрывчатых веществ в рукавах: Дисс. … докт. техн. наук / 05.15.11 / Прокопенко Виктор Степанович. - Киев. - 2002). При этом характерной особенностью указанных рукавов является то обстоятельство, что они имеют диаметр меньше, чем диаметр заряжаемой скважины. Данное обстоятельство препятствует применению данной технологии для создания заряда ЭВВ в восходящих скважинах.

В связи с расширением области применения ЭВВ на подземные горные работы решение задачи разработки технологий заряжания данными взрывчатыми веществами восходящих скважин приобретает огромное значение. Для решения данной задачи различными авторами предлагается использовать рукава специальных конструкций (RU 154388, RU 154389, RU 170984, Маслов И.Ю. «Промышленные эмульсионные взрывчатые вещества и системы инициирования во взрывном деле» / И.Ю. Маслов, В.И. Сивенков, С.В. Иляхин и др. - М.: ВНИИгеосистем. - 2018). Однако в предложенных конструктивных решениях отсутствуют методики расчета параметров данных рукавов, что осложняет их применение на практике, вызывает перерасход ЭВВ.

Так, известен рукав для заряжания скважины взрывчатым веществом, содержащий водонепроницаемую и герметичную с одного конца трубообразную оболочку для размещения внутри нее шланга от зарядного устройства, при этом оболочка выполнена из полотна с гидрофобной пропиткой путем сшивания боковых срезов полотна по ее длине, диаметр оболочки выполнен больше диаметра заряжаемой скважины, герметичный торец оболочки представляет собой верхний торец оболочки, вводимый в восходящую скважину, оболочка выполнена газопроницаемой с поперечным прошиванием под углом к ее продольной оси через равные промежутки величиной не менее четырех диаметров оболочки и с оставлением бокового прохода для шланга зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между стенкой оболочки и прошивками (RU 154388, F42D 1/10, опубл. 20.08.2015 г.).

Данное решение принято в качестве прототипа.

В известном решении рукав выполнен с поперечной прошивкой через равные промежутки по длине рукава с оставлением бокового прохода вдоль одной стенки для зарядного шланга. Поперечные прошивания рукава производятся на участке под углом к его продольной оси (от 30 до 45°), который заканчивается прошивкой в виде участка вдоль оси рукава. Боковой проход для шланга зарядного устройства выполнен с одной боковой стороны рукава между стенкой рукава и прошивками. Конструкция рукава проста и технологична.

Несмотря на простоту конструкции и удобство заряжания скважины, остаются нерешенными вопрос удержания рукава в скважине за счет сил трения материала рукава с горной породой и вопрос количественного заполнения рукава ЭВВ. На практике оба этих момента решаются переполнением рукава ЭВВ, при котором рукав распирается и упирается в стенку скважины, но при этом имеет место перерасход ЭВВ, так как его объем используется не на получение оптимизированной по параметрам энергии взрыва для дробления породы, а для распирания рукава.

При переполнении рукава ЭВВ подвергается химическому газированию (медленно происходит химическая реакция эмульсии с газогенерирующей добавкой) и системе «рукав-ЭВВ» надо куда-то расширяться. Если этого не будет, а будет сплошной заряд ЭВВ - система не будет иметь возможность расширяться - видимые газовые пузырьки не образуются (выделяющееся при химической реакции газообразное вещество просто растворится в жидкости ЭВВ при повышенном давлении) - плотность ЭВВ не снижается - чувствительность к детонационному импульсу не появляется - имеет место отказ детонации скважинного заряда.

Указанный недостаток не позволяет обеспечить равномерное дробление породы за счет ускоренного процесса выделения взрывной энергии.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в достижении равномерного дробления породы при уменьшенном на 10-15% расходе ЭВВ за счет формирования детонационно способного заряда при заполнении рукава ЭВВ.

Указанный технический результат достигается тем, что в рукаве асимметричной конструкции для заряжания восстающих скважин эмульсионным взрывчатым веществом, содержащем водонепроницаемую и герметичную с одного конца трубообразную оболочку с внешним диаметром больше диаметра заряжаемой скважины, при этом оболочка выполнена с поперечным прошиванием под углом к ее продольной оси через равные промежутки для образования карманов под заполнение их ЭВВ, при этом каждая поперечная прошивка имеет наклонный участок и отходящий от него участок продольной прошивки для образования бокового прохода для шланга зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между стенкой оболочки и продольными прошивками, при угле наклона наклонных участков поперечных прошивок от 30° до 45° высота проема между смежно расположенными по высоте рукава карманами для ввода ЭВВ шлангом зарядного устройства диаметром 0,1 м равна от 0,4 м до 0,6 м, расстояние между наклонными участками поперечных прошивок по наружной стороне оболочки равно от 1,1 м до 1,5 м, расстояние между крайней точкой наклонного участка поперечной прошивки одного кармана на наружной стороне оболочки и крайней точкой на линии наклонного участка поперечной прошивки со стороны продольной прошивки смежно расположенного кармана равно от 0,6 м до 1,0 м.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 общий вид конструкции рукава, продольный разрез;

фиг. 2 схема расчета конструктивных параметров рукава;

фиг. 3 - схема рукава с установленным промежуточным детонатором и шлангом перед заполнением ЭВВ;

фиг. 4 - заполнение верхнего кармана рукава ЭВВ шлангом от зарядного устройства с образованием воздушной полости в этом кармане;

фиг. 5 - заполнение расположенного под верхним карманом ЭВВ шлангом от зарядного устройства;

фиг. 6 - демонстрация воздушных полостей в карманах после заполнения их ЭВВ.

Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция рукава для заряжания ЭВВ при применении в восстающей скважине.

В общем случае рукав для ЭВВ (фиг. 1) представляет собой водонепроницаемую газопроницаемую оболочку 1 с герметичным верхним торцом 2 для размещения внутри нее шланга 3 (фиг. 3) от зарядного устройства (не показано), подающего в оболочку промышленное ЭВВ. Оболочка выполнена из тканого или нетканого полотна с гидрофобной пропиткой путем сшивания боковых срезов 4 полотна по его длине в направлении диаметра рукава больше диаметра заряжаемой скважины. Диаметр D рукава выполнен больше диаметра заряжаемой скважины. Оболочка выполнена с поперечными прошивками 5 под углом к продольной ее оси через равные промежутки величиной не менее четырех диаметров оболочки и с оставлением бокового прохода для шланга зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между ее стенкой и прошивками. А со стороны открытого нижнего торца оболочка оснащается клапаном для герметизации заполненной ЭВВ оболочки при извлечении шланга от зарядного устройства.

При этом каждая поперечная прошивка 5 имеет наклонный участок 6 (под углом β наклона участков поперечных прошивок от 30° до 45°), и отходящий от него продольный участок 7 поперечной прошивки, который используется для образования бокового прохода 8 для шланга 3 зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между стенкой оболочки и продольными участками 7 прошивок.

Таким образом, указанные прошивки образуют по длине рукава карманы, расположенные на равном расстоянии друг от друга для обеспечения равномерного и примерно равного заполнения полостей карманов ЭВВ при движении шланга с постоянной скоростью вдоль бокового прохода 8.

Особенностью заявленного рукава является то, что высота проема с между смежно расположенными по высоте рукава карманами для ввода ЭВВ шлангом 3 зарядного устройства (выполненного диаметром 0,1 м) равна от 0,4 м до 0,6 м, расстояние b между наклонными участками поперечных прошивок по наружной стороне оболочки равно от 1,1 м до 1,5 м, расстояние между крайней точкой наклонного участка поперечной прошивки одного кармана на наружной стороне оболочки и крайней точкой на линии наклонного участка поперечной прошивки со стороны продольной прошивки смежно расположенного кармана равно от 0,6 м до 1,0 м (фиг. 2).

При таком исполнении рукава проем для ввода ЭВВ расположен выше крайней точки наклонного участка на наружной стороне оболочки. При заряжании ЭВВ в карманы шланг 3 (фиг. 3) медленно с заданной скоростью опускается вдоль оболочки. При прохождении зоны проема ЭВВ заполняет карман до момента когда выпускной патрубок шлага становится ниже крайней точки продольного участка прошивки того кармана, который заполняется ЭВВ в данный момент. Это приводит к образованию в кармане воздушной полости (фиг. 3).

Наличие воздушной полости, незаполненной ЭВВ, важно, так как ЭВВ подвергается химическому газированию (медленно, происходит химическая реакция эмульсии с газогенерирующей добавкой) и системе надо куда-то расширяться. При выделении газов повышается давление в воздушной полости, но при этом не изменяется химический состав самого ЭВВ (выделяющееся при химической реакции газообразное вещество не растворяется в жидкой фазе ЭВВ при повышенном давлении).

С другой стороны, воздушные полости в скважинном заряде снижают начальное давление взрыва и плотность энергии взрыва на единицу поверхности заряда, но при этом удлиняют время воздействия взрыва на разрушаемую среду и таким образом уменьшают местное (бризантное) действие взрыва, приводящее к переизмельчению среды в ближней зоне взрыва,. Это способствуют большей равномерности и стабильности результатов дробления значительных объемов среды (Лещинский А.В., Шевкун Е.Н. «Рассредоточение скважинных зарядов» Хабаровск, Изд-во ТОГУ, 2009, стр. 16).

В отношении воздушных полостей в карманах следует уточнить, что это позволяет организовать пустотности без прерывания непрерывности простирания заряда по длине скважины. Это не радиальная пустотность, а асимметричные сужения по длине заряда (Марченко Л.Н. Энергия взрыва и конструкция заряда. - М.: Наука. - 1965, стр. 13). Это позволяет на 10-15% сократить массу ЭВВ в формируемом заряде. По Марченко - детонационное срабатывание ЭВВ в карманах обеспечивает дробление породы не хуже (но более равномерное) по сравнению со сплошным колонковым зарядом.

Устройство используют следующим образом.

Предварительно в восходящую скважину размещают промежуточный детонатор 9 (ПД) на волноводе или детонирующем шнуре 10 (до проектной отметки установки промежуточного детонатора в скважине; промежуточный детонатор оснащается самостоятельным устройством фиксации в скважине).

Либо, как показано на фиг. 3, ПД устанавливают в верхний открытый «карман» рукава, после чего горловину рукава собирают «в чуб» и перевязывают тесьмой (пристроченной к торцу рукава). В этом случае, отпадает необходимость использования самостоятельного устройства фиксации ПД в скважине. А установленный таким способом ПД находится в непосредственном контакте с ЭВВ - что повышает надежность инициирования ЭВВ: детонационный импульс от ПД передается в ЭВВ, минуя возможные препятствия в виде возможно образующихся воздушных полостей при установке ПД.

Рукав одевают на зарядный шланг 3 (фиг. 3) и подают его восходящую скважину до ее дна. При одевании рукав может быть поджат «в гармошку» для удобства ввода в скважину. При размещении в скважине рукав может оставаться частично в гармошке, а может и распрямиться частично или полностью по всей длине (высоте) скважины. Так как прошивки имеют однонаправленное положение, то при сборке «в гармошку» рукав собирается на шланге по одну общую сторону. При вводе «гармошки» в скважину складки опадают и не зацепляются за стенку скважины.

Включают зарядное устройство и подают ЭВВ 11 в рукав по шлангу 3. В начальный момент конец шланга расположен в боковом проходе на уровне проема доступа к полости 9 первого кармана, ограниченного прошивкой и верхним торцом рукава. Под давлением ЭВВ проходят через проем и заполняет полость первого (верхнего) кармана. При заполнении первого кармана воздух из него выходит через поры ткани рукава и в боковом шве, ЭВВ остается внутри оболочки рукава 1. При этом в кармане остается пустотность.

Больший относительно диаметра скважины рукав распирается и удерживается силами трения в скважине. Во всех случаях исполнения устройства, диаметр рукава должен быть больше диаметра заряжаемой скважины. В этом случае, за счет неидеальности внутренней поверхности скважины (трещины в горном массиве, вывалы отдельностей при бурении), происходит распирание заполненного ЭВВ рукава и его удержание в скважине за счет сил трения в контакте пары «стенка скважины - материал рукава». При этом опирание с трением рукава на стенку скважины будет не по всей поверхности рукава, а на участках заполненных ЭВВ карманов. Данное распирание, как показали эксперименты, на уровне заполненной части карманов, проявляются при расположении наклонного участка прошивки под углом от 30° до 45°.

Такой прием удержания рукава с восходящей скважине основан на расчетных данных применительно к фиг.2 и подтвержден экспериментально. Обозначения геометрических параметров а, b, с, d, D и β понятны из фиг. 2. При этом, между указанными параметрами должны выполняться соотношения:

B₀A₁+А₁В₁=b ⇒ т.к. B₀A₁=С; А₁В₁=b-с

D₁C₁=b=а+C₁B₁cosβ

b=а+C₁B₁cosβ=а+Dctgβ

Δ+с+а=b

Δ=b-а-с=(а+Dctgβ)-а-с=Dctgβ-с

Δ>0 (Dctgβ>c)

Δ<0 (Dctgβ<0)

Величина D назначается из условия «охвата» тканью рукава зарядного шланга для сокращения объемов вытекания ЭВВ из «ячейки» при ее заполнении.

Величина d назначается из условий как свободного прохождения зарядного шланга, так и снижения трудностей при размещении рукава в скважине, и может быть определена по формуле

Объем V₀ скважинного пространства, ограниченного плоскостями ограниченных наклонными участками смежных карманов, равен

где R - радиус скважины;

Объем V ЭВВ, заключенного в рукаве между наклонными участками смежных карманов, равен

Коэффициент заполнения скважины ЭВВ равен

Для зарядов с воздушным промежутком коэффициент уменьшения фактической длины заряда по сравнению с неразрывным зарядом равен (Марченко Л.Н. «Энергия взрыва и конструкция заряда» М., Наука, 1965)

где ƒ_креп - коэффициент крепости горных пород по М.М. Протодьяконову.

Рассматриваемая конструкция рукава будет позволять достигать эффективного использования энергии взрыва при N=K_возд.

В соответствии с (5) и (6), определяем условие эффективного применения рукава с точки зрения использования энергии взрыва заряда ЭВВ на дробление

Однако важнейшей задачей рукава в нашем случае является создание условий удержания заряда в восходящей скважине. Априори ясно, что если каждая «ячейка» рукава после ее заполнения ЭВВ останется неподвижной, то и весь размещенный в рукав заряд не выпадет из скважины.

Рассмотрим «ячейку» рукава после заполнения ее ЭВВ до уровня х=Dctgβ (фиг. 2, поз. 6).

Оставшаяся незаполненной часть «ячейки» компенсирует последующее расширение ЭВВ вследствие его газификации, наступающей, как правило, через 20-30 мин после зарядки. Оставленное пространство, с учетом (4), создает начальную пористость α заряда ЭВВ в «ячейке» равную

где - начальный объем незаполненной части «ячейки».

Определим условия равновесие данной «ячейки» рукава под воздействием веса ЭВВ, сил трения между рукавом и вытягивающимся из «ячейки» зарядным шлангом и удерживающих «ячейку» сил трения между оболочкой и стенкой скважины.

Вес ЭВВ при рассматриваемой степени заполнения «ячейки» равен

где ρ - начальная плотность ЭВВ, кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с².

Суммарная сила трения, действующая на «ячейку», равна разнице между силой трения рукава о стенки скважины, которая удерживает «ячейку», и силой трения между рукавом и зарядным шлангом, которая способствует выпадению «ячейки» из скважины, составляет:

При с>Dctgβ

при с≤Dctgβ

где х - текущая координата вдоль образующей «ячейки», м (рис. 1); k_тр, ƒ_тр - коэффициенты трения в паре «рукав-горная порода» и в паре «рукав-зарядный шланг», соответственно. При этом полагаем, что выполняется условие формирования «ячейки»: с<b-2d.

Условие неподвижности «ячейки» в скважине:

На основании (10)-(12), с учетом (3), находим ограничение на коэффициент трения в паре «материал рукава-горная порода», при котором восходящий заряд не выпадает из скважины:

при с>Dctgβ

при с≤Dctgβ

Анализ представленных зависимостей показывает, что при использовании рукавов конструкции прототипа, размещаемых в 100-миллиметровых скважинах, для отбойки скальных в широком диапазоне крепости пород, их геометрические параметры должны лежать в диапазоне: 0,6 м≤а≤1,0 м, 1,1 м≤b≤1,5 м, 0,4 м≤с≤0,6 м, D≅0,19 м, d≅0,1 м и 20°≤β≤45°. В этом случае достигается благоприятная для прохождения детонации пористость ЭВВ после газификации (10-20%) и удержание рукава в скважине при его частичном заполнении (с воздушными полостями).

Далее шланг опускают до проема нижележащего кармана, и операция по его заполнению повторяется по аналогии заполнения ВВ первого кармана. И так до последнего кармана. При заполнении каждого нижележащего кармана в нем образуется воздушная полость.

Зарядный шланг извлекается из заряжаемой скважины с равномерной скоростью, равной скорости формирования колонки восстающего скважинного заряда ЭВВ.

При этом возможны следующие дополнительные эффекты:

- газовые включения, которые неизбежно будут образовываться в процессе формирования восстающего заряда внутри рукава, будут способствовать возникновению изменений скорости детонации ЭВВ по длине заряда и, соответственно, формированию пульсаций давления в продуктах взрыва за счет перемены площади поперечного сечения заряда ЭВВ (большая площадь - в сплошной части заряда, меньшая - при наличии газового включения) - известен эффект изменения скорости детонации заряда ЭВВ от диаметра заряда ВВ (Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И. Романов «Промышленные взрывчатые вещества», М., «Недра», 1988, стр. 87). Пульсации давления в продуктах взрыва усиливают дробящий эффект действия взрыва за счет многократного циклического нагружения (А. Горинов и др., «О практической ценности некоторых конструкций скважинных зарядов взрывчатых веществ», Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск) - 2015. - №01, М., издательство «Горная книга», стр. 4].

Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с применением существующего швейного оборудования. Изобретение позволяет закладывать в восходящую скважину ЭВВ в дифференцированном алгоритме распределения ВВ по высоте рукава. Это приводит к детонации ЭВВ в карманах с небыстрым повышением газового давления, что позволяет дробить породу уже в момент взрыва. При этом стало возможным уменьшить количество ЭВВ, расходуемое на заряжание одной скважины.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности. Рукав асимметричной конструкции для заряжания восстающих скважин эмульсионным взрывчатым веществом (ЭВВ) представляет собой водонепроницаемую и герметичную с одного конца трубообразную оболочку с внешним диаметром больше диаметра заряжаемой скважины, при этом оболочка выполнена с поперечным прошиванием под углом к ее продольной оси через равные промежутки для образования карманов под заполнение их ЭВВ. Каждая поперечная прошивка имеет наклонный участок и отходящий от него участок продольной прошивки для образования бокового прохода для шланга зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между стенкой оболочки и продольными прошивками. При угле наклона наклонных участков поперечных прошивок от 30° до 45° высота проема между смежно расположенными по высоте рукава карманами для ввода ЭВВ шлангом зарядного устройства диаметром 0,1 м равна от 0,4 м до 0,6 м, расстояние между наклонными участками поперечных прошивок по наружной стороне оболочки равно от 1,1 м до 1,5 м, расстояние между крайней точкой наклонного участка поперечной прошивки одного кармана на наружной стороне оболочки и крайней точкой на линии наклонного участка поперечной прошивки со стороны продольной прошивки смежно расположенного кармана равно от 0,6 м до 1,0 м. Техническим результатом является достижение равномерного дробления породы при уменьшенном на 10-15% расходе ЭВВ за счет формирования детонационно-способного заряда при заполнении рукава ЭВВ. 6 ил.

Рукав асимметричной конструкции для заряжания восстающих скважин эмульсионным взрывчатым веществом (ЭВВ), содержащий водонепроницаемую и герметичную с одного конца трубообразную оболочку с внешним диаметром больше диаметра заряжаемой скважины, при этом оболочка выполнена с поперечным прошиванием под углом к ее продольной оси через равные промежутки для образования карманов под заполнение их ЭВВ, при этом каждая поперечная прошивка имеет наклонный участок и отходящий от него участок продольной прошивки для образования бокового прохода для шланга зарядного устройства с одной боковой стороны оболочки между стенкой оболочки и продольными прошивками, отличающийся тем, что при угле наклона наклонных участков поперечных прошивок от 30° до 45° высота проема между смежно расположенными по высоте рукава карманами для ввода ЭВВ шлангом зарядного устройства диаметром 0,1 м равна от 0,4 м до 0,6 м, расстояние между наклонными участками поперечных прошивок по наружной стороне оболочки равно от 1,1 м до 1,5 м, расстояние между крайней точкой наклонного участка поперечной прошивки одного кармана на наружной стороне оболочки и крайней точкой на линии наклонного участка поперечной прошивки со стороны продольной прошивки смежно расположенного кармана равно от 0,6 м до 1,0 м.