Рукав для заряжания обводненных скважин низкоплотным взрывчатым составом Российский патент 2024 года по МПК F42D1/08 F42B3/87 

Изобретение относится к горным работам, а точнее к открытым взрывным работам на карьерах с использованием скважинных зарядов.

Заряжание обводненных скважин на карьерах, а таких скважин в России около 70 %, неводоустойчивыми взрывчатыми веществами (ВВ) относится к числу остроактуальных проблем. Актуальность проблемы возникла с начала широкого использования на карьерах аммиачно-селитренных ВВ для взрывных работ скважинными зарядами, поскольку эти ВВ, имея ряд преимуществ, не обладают необходимой водоустойчивостью. Решение проблемы шло в двух направлениях: в направлении создания аммиачно-селитренных ВВ достаточной водоустойчивости и в направлении разработки устройств, позволяющих заряжать обводненные скважины такими ВВ. Если вопрос создания аммиачно-селитренных ВВ достаточной водоустойчивости разрешается на уровне выбора присадок и коррекции компонентного состава и не зависит от типа приспособления, позволяющего это ВВ укладывать в нисходящие обводненные скважины, то вопрос заряжания таких скважин прямо зависит от возможности откачки грунтовых вод из скважин. Этот вопрос становится более серьезным, если учесть, что для, например, скважин контурного заряжания применяются ВВ с плотностью менее 1 г/см³. То есть плотность ВВ меньше плотности грунтовых вод, которая в зависимости от степени минерализации составляет 1,03-1,05 г/см³ и выше (например, плотность пластовых вод равна 1,0-1,5 г/см³). Это указывает на то, что приспособление типа рукава, заполняемое ВВ с пониженной плотностью, будет плавать поверх грунтовой воды в скважине.

Низкоплотные ВВ применяются на взрывных работах в ряде случаев, когда требуется снизить дробящее действие взрыва на разрушаемый массив горных пород (для постановки бортов карьеров в предельное положение - снижение заколообразования, что обязательно при проведении «гладкого» взрывания профильных выемок в транспортном и энергетическом строительстве). Другого способа образования откосов (выемок) с использованием энергии взрыва в настоящее время не существует. Этот процесс взрывания называется контурным взрыванием, при котором разрушение массива горных пород производится в пределах оконтуренного скважинами объема для получения относительно гладкой поверхности отбойки с минимальными нарушениями сплошности массива за пределами контура.

В связи с этим на конструкцию приспособления типа рукава, используемого для удержания ВВ в скважине, налагаются особые требования по противодействию всплытию рукава с низкоплотным ВВ.

Например, предлагался способ ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного ВВ, включающий формирование заряда ВВ в обводненной скважине путем его закачивания на дно скважины со скоростью, большей скорости всплытия этого ВВ, обеспечивающей заполнение сечения скважины и выдавливание из нее столба воды, и инициирование заряда эмульсионного взрывчатого вещества от промежуточного детонатора, размещенного внутри колонки заряда (RU №2305673). Но такой способ не нашел должного применения из-за сложностей, связанных с созданием такого напора подачи ВВ, при котором вода бы уходила поверх ВВ.

Известно устройство для заряжания скважин с проточной водой неводоустойчивыми ВВ, содержащее водоотводящие шланги, расположенные вдоль стенки скважины до ее дна, рукав, диаметр которого превышает диаметр скважины, проходящий от нижней части скважины до верхней для подачи в него сжатого воздуха, головку, состоящую из отрезка трубы диаметром, меньшим диаметра скважины, с закрепленной на ней верхней частью рукава, с крышкой, на которой расположен патрубок для подачи сжатого воздуха, и имеющую приспособление для закрепления ее в устье скважины и опорный элемент, ограничивающий глубину погружения головки в скважину, отличающееся тем, что водоотводящие шланги выполнены из водостойкого материала, имеют гладкую наружную поверхность, поперечную жесткость, обеспечивающую несущественное уменьшение их проходного поперечного сечения при воздействии наружного давления и продольную гибкость, достаточную для наматывания их на барабаны, а рукав выполнен из стойкого к воде и ВВ материала, обладающего гибкостью, позволяющей образовывать стенками рукава складки с перегибом на 180° без нарушения целости материала при давлении сжатого воздуха, причем нижний конец рукава герметизирован и снабжен грузом для обеспечения его погружения через воду на дно скважины, при этом через головку пропущена часть рукава, верхний конец которого, будучи расправлен, охватывает верхний срез отрезка трубы головки и герметично зажат через уплотнительные прокладки крышкой головки посредством зажимов, а приспособление для закрепления головки в устье скважины выполнено в виде резинового фартука, армированного гибкими, прочными продольными элементами, при этом верхняя часть резинового фартука прочно закреплена на нижней части отрезка трубы головки, нижняя же часть резинового фартука разрезана на продольные полосы, которые при подаче в рукав сжатого воздуха имеют возможность прижиматься к стенке скважины, а средняя часть фартука, примыкающая к нижнему срезу отрезка трубы головки, служит опорой для рукава при подаче в него давления сжатого воздуха (RU №2232372, F42D 1/08, опубл. 10.07.2004 г.).

По конструкции известное устройство сложно, равно как трудоемко его применение. Например, в начале в верхнюю часть обводненной скважины опускают отрезок трубы головки устройства до соприкосновения его опорных элементов 5 с поверхностью уступа, затем в заданных местах головки между отрезком трубы и стенкой скважины опускают в скважину водоотводящие шланги до самого дна. После этого в раскрытый нижний конец рукава закладывают необходимого веса груз, чтобы обеспечить погружение рукава в воду. В качестве груза могут быть использованы плотные куски и шашки ВВ. Затем нижнюю часть рукава герметизируют путем завязывания его шпагатом или тонкой бечевкой и опускают рукав через отрезок трубы головки до самого дна скважины. После этого от компрессора в рукав плавно подают сжатый воздух, обеспечивая его давлением удаление воды из скважины. После окончания истечения воды давление воздуха в рукаве быстро сбрасывают, извлекают водоотводящие шланги из скважины и начинают заполнение рукава ВВ. При заполнении рукава ВВ устанавливают боевики. Оставшуюся часть скважины заполняют забойкой.

Также известен полиэтиленовый рукав для заряжания нисходящих скважин, герметизированный с одного конца, второй конец которого закреплен на устье скважины с возможностью подачи в полость рукава ВВ, при этом для удержания рукава с низкоплотным ВВ в обводненной скважине оно снабжено закрепленными на герметизированном конце рукава грузом и фиксирующим приспособлением, которое выполнено в виде парашюта-фиксатора из твердого материала, имеющего форму полого усеченного конуса с оторочкой большего основания, диаметр которого больше или равен 1,1 диаметра скважины, а угол конусности ≤75° (RU №2133007, F42D 1/08, F42D 3/04, опубл. 10.07.1999 г.).

Это решение принято в качестве прототипа.

На конце герметизированного рукава закрепляют груз и парашют-фиксатор и опускают в скважину, заполненную водой. После достижения грузом и парашютом-фиксатором дна скважины в рукав подают низкоплотное ВВ с газогенерирующей добавкой в количестве, позволяющем уменьшить начальную плотность ВВ. При уменьшении плотности ВВ заряд будет подниматься по рукаву, а парашют-фиксатор будет удерживать нижний конец рукава с зарядом ВВ у дна скважины. При этом парашют-фиксатор рассчитан на усилие выдергивания до 300 кг и более. При заряжании полиэтиленовый рукав будет стремиться всплыть и таким образом создается условие минимального касания рукавом стенок скважины. При заряжании скважины после подачи ВВ верхний участок заполняют забойкой из песка или мелкой породы.

Такое решение организационно сложно выполнимо. При погружении груза рукава с фиксатором-парашютом на дно скважины сам рукав находится в не распрямленном состоянии и при этом находится в погруженном в воду состоянии (вода оказывает давление на сжатый рукав, сплющивая его стенки). Подача ВВ проводится сверху в ту часть рукава, которая находится поверх воды. В патенте указано, что подают в рукав низкоплотное ВВ, в котором потом еще больше понижают плотность газогенерирующими добавками. Но, если ВВ низкоплотное (с плотностью ниже плотности грунтовой воды), то оно будет находиться поверх воды и не уйдет внутрь сплющенного рукава. Внутрь сжатого рукава может проникнуть только ВВ с высокой плотностью, превышающей плотность грунтовой воды. При этом подача такого высокоплотного ВВ должна быть с серьезным напором, чтобы преодолеть давление воды на стенки рукава. При низкоплотном ВВ этого нельзя достичь. Предположение о возможности выдавливания грунтовой воды за счет нагнетания низкоплотного ВВ в сплющенный рукав не соотносится с физикой природных явлений.

При заряжании обводненных нисходящих скважин возможна откачка насосом большей части воды из полости скважины, но в зоне дна скважины все равно остается слой воды. Если после откачки и до момента заряжания скважины прошло время, то этот слой воды увеличивается из-за притока дополнительной воды из грунта. При работе с большим количеством скважин при контурном взрывании такое явление является частым. Кроме того, не всегда возможно осушить все скважины и приходится работать со скважинами, заполненными водой. В связи с этим важным становится решение задачи по укладке концевой герметичной части рукава на дно скважины при любом количестве в ней воды и решение задачи по стабилизации положения рукава в скважине в момент заполнения рукава низкоплотным ВВ.

Настоящее изобретение направленно на достижение технического результата, заключающегося в создании рукава для обводненных нисходящих скважин, обладающего возможностью гарантированной укладки на дно скважины даже в условиях наличия в ней воды и зацепления со стенкой скважины для исключения всплытия рукава при его заполнении низкоплотным ВВ.

Указанный технический результат достигается тем, что рукав для заряжания обводненных скважин низкоплотным взрывчатым составом представляет собой герметизированную с одного конца трубчатой формы оболочку из водонепроницаемого гибкого материала, обладающего свойством не удержания формы, при этом с герметизированным концом оболочки связан груз с удельной плотностью, превышающей удельную плотность заполняющей скважину грунтовой воды, а другой конец оболочки использован для ввода в ее полость шланга подачи взрывчатого состава, герметизированный конец трубчатой формы оболочки закрыт тканевым материалом, отличным от материала оболочки, а полость в зоне этого конца заполнена тяжелой жидкостью с удельной плотностью выше удельной плотности грунтовой воды, при этом в центральной части на участке, отстоящем от герметизированного конца оболочки, и на участке, отстоящем от другого конца оболочки, поперечный размер оболочки, заполненной взрывчатой смесью, совпадает с поперечным размером скважины, на остальных участках и в зоне герметизированного конца поперечный размер заполненной взрывчатым составом оболочки выполнен меньше поперечного размера участка оболочки в центральной части, а переход участков меньшего поперечного размера в участок большего поперечного размера выполнен в виде наклонных поверхностей оболочки с углом наклона в 30-34°.

Как вариант, по крайней мере часть стенки оболочки со стороны размещения тяжелой жидкости выполнена из нерастяжимого материала и имеет форму полого цилиндра, нижний торец которого закрыт слоем ткани, выполненной из водонепроницаемого стретчевого материала, а тяжелая жидкость размещена в полости полого цилиндра на этом слое ткани.

Герметизированный конец оболочки может быть закрыт водонепроницаемым тканевым материалом, обладающим свойством растяжения.

Кроме того, результат достигается также тем, что тяжелая жидкость применена в качестве груза для удержания рукава на дне заполняемой низкоплотным взрывчатым составом обводненной скважины.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой и являются существенными 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 демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

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

фиг. 2 - показано введение рукава в скважину;

фиг. 3 - положение рукава в обводненной скважине при заполнении его взрывчатым составом.

Согласно настоящему изобретению, рассматривается конструкция рукава, применяемого при заряжании нисходящих обводненных скважин взрывчатым составом, имеющим плотность (менее 1 г/см³) ниже плотности грунтовых вод (1,03 - 1,05 г/см³ и выше). Данный рукав позволяет заряжать скважины, заполненные водой, частично опорожненные откачкой или опорожненные, но с водой в донной части. В частности, рассматривается рукав для скважин контурного взрывания, предназначенных для формирования при взрыве трещин вдоль охваченного скважинами периметра и получения гладкой поверхности отбойки породы от основного массива при сохранении сплошности этого массива. Это объясняется тем, что при взрыве контурных скважин образуется экранирующая щель, а ударные волны зарядов рыхления гасятся экранирующей щелью и разрушающее действие заряда вглубь массива снижается.

Рукав (фиг. 1) выполнен в виде герметизированной с одного конца трубчатой формы оболочки 1 из водонепроницаемого гибкого материала, обладающего свойством не удержания формы. Это позволяет хранить рукав в скрутке и это удобно при транспортировке большого количества рукавов к месту оконтуривания зоны взрывания.

Герметизированный конец трубчатой формы оболочки выполнен из материала 2, обладающего свойством растяжения (по типу ткани стретч). Эта концевая часть оболочки прикрепляется герметично к основной части оболочки. В принципе этот конец может быть зарыт любой водонепроницаемой тканью и не обязательно растяжимой. Полость в зоне этого конца заполнена тяжелой жидкостью 3 с удельной плотностью выше удельной плотности грунтовой воды. В качестве такой тяжелой жидкости могут использоваться бромистый раствор (состоит из водного раствора бромида натрия или бромида калия, используется в геологии для разделения минералов по плотности), тунгстеновые растворы (состоят из водного раствора тунгстеновой кислоты или тунгстенового оксида, используются в металлургии для разделения руд по плотности), или йодистый раствор (водный раствор йодида натрия или йодида калия, используется в химическом анализе для разделения веществ по плотности), или формалиновые растворы (содержат формалин, который является раствором формальдегида в воде, используются в медицине для разделения клеток и тканей по плотности.

Тяжелая жидкость 3 может быть непосредственно налита в оболочку 1 или изначально помещена в гибкую свободную упаковку, позволяющую принимать увеличенную форму по площади (расплываться в упаковке), которую опускают на дно оболочки. При опускании оболочки рукава в скважину тяжелая жидкость 3 вытягивает концевую часть, а при опускании на дно расплывается по площади дна скважины (фиг. 2). Вода, которая оставалась в донной части скважины, поднимается, так как вытесняется объемом тяжелой жидкости, и занимает объем над этой жидкостью. При этом эта жидкость 3, как груз, точно позиционирует рукав на дне, принимая форму поверхности этого дна. Форма самого рукава над концевой его частью может находиться в любом состоянии (сплющена, скручена и т.д.).

В частности, на фиг. 1-3 представлен вариант исполнения рукава, у которого нижняя часть 4 оболочки (по крайней мере часть стенки оболочки) со стороны размещения тяжелой жидкости 3 выполнена из нерастяжимого материала и имеет форму полого цилиндра 5. Нижний торец этого цилиндра закрыт слоем ткани, выполненной из водонепроницаемого стретчевого материала, а тяжелая жидкость размещена в полости полого цилиндра на этом слое ткани. Под понятием «нерастяжимый материал» понимается то, что он держит форму полой трубы, но при этом может сохранять эту форму (жесткий или полужесткий вариант исполнения) и, как вариант, может обладать свойством быть изгибаемым.

Учитывая, что сама оболочка, кроме ее концевой части, выполнена из гибкого изминаемого материала, не позволяющего сохранять без внешней нагрузки устойчивую в пространстве объемную форму, то для понимания технического существа заявленного изобретения в дальнейшем оболочка рукава будет рассматриваться в устойчивой форме цилиндрической тонкостенной трубы. Такое положение оболочка занимает после полного ее заполнения взрывчатым составом. Поэтому к такой устойчивой форме будут применяться термины «поперечный размер» и «диаметр».

В центральной части 6 оболочки на участке, отстоящем от герметизированного конца оболочки, и на участке 7, отстоящем от другого конца оболочки, поперечный размер (диаметр) оболочки, заполненной взрывчатой смесью, совпадает с поперечным размером скважины. На остальных участках и в зоне герметизированного конца поперечный размер (диаметр) заполненной взрывчатым составом оболочки выполнен меньше поперечного размера участка оболочки в центральной части 6 и меньше поперечного размера (диаметра) нисходящей скважины.

Таким образом, оболочка выполнена из трех разнодиаметровых участков 4, 6 и 7. При опускании рукава вместе с зарядным шлангом 8 на дно скважины тяжелая жидкость касается дна (фиг. 2) и, опускаясь, растекается по дну по типу лепешки или блина, занимая всю площадь этого дна и повторяя его поверхность в контактной зоне. Придонная вода при этом поднимается и занимает объем скважины поверх этого блина (фиг. 3). Зарядный шланг 8 опускается до зоны, приближенной к блину, и начинают по нему нагнетать взрывчатый состав. Рукав на нижнем участке 4, имеющем диаметр меньше поперечного размера скважины, заполняется составом и распрямляется как в поперечном направлении, так и по высоте по мере заполнения. Придонная вода 9 над блином тяжелой жидкости начинает выдавливаться вверх (фиг. 3). По мере заполнения зарядный шланг 8 поднимается вверх. При полном заполнении нижнего участка рукава в зазоре между стенкой оболочки и стенкой скважины остается только та часть воды, которая равна объему этого зазора. Остиальной объем воды вытеснен в зону центрального участка и занимает полость зазора между стенкой оболочки на этом участке и стенкой скважины. При заполнении центральной части оболочки происходит ее раздутие с увеличением диаметра, что приводит к вытеснению воды из зазора между стенками вверх. Стенка оболочки начинает контактировать со стенкой скважины. Происходит контактное залипание стенок, что фиксирует положение заполненной оболочки и не дает ей возможности осесть. Вода из зазора между стенкой оболочки и стенкой скважины выдавливается вверх и переходит в зону третьего верхнего участка оболочки, поперечный размер которой меньше поперечного размера скважины. При заполнении этого последнего участка происходит раздутие рукава и вытеснение воды в полость зазора между стенками оболочки и скважины. Избыток воды вытекает через устье скважины. В итоге в самом неблагоприятном случае вода находится в нижней части оболочки и в верхней части оболочки, а сам рукав, заполненный взрывчатым составом, позиционирован относительно стенки скважины и удерживается весом тяжелой жидкости на дне скважины. Обеспечивается точное проектное заглубление рукава в скважину. Данный процесс описан применительно к случаю, когда в осушенной скважине вода остается или накапливается только в придонной зоне 10. Но, если скважина не осушена, и вода ее полностью заполняет, то этот же процесс укладки и заполнения рукава остается без изменений, за исключением того, что большее количество воды будет вытекать наружу через устье скважины.

Для заявленного рукава наличие воды в скважине не является препятствием для ее заряжания. Применение тяжелой жидкости в качестве груза гарантированно обеспечивает вытеснение воды из-под нижнего конца рукава и укрепление данного рукава на дне скважины. А постепенное заполнение трех участков рукава низкоплотным взрывчатым составом позволяет в том же темпе заполнения сформировать процесс выдавливания воды в сторону устья скважины. Оставшаяся в полостях зазоров вода не препятствует срабатыванию взрывчатого состава от промежуточного детонатора 11, помещенного в нижнюю часть рукава или располагаемого в центральной части рукава. Кроме того, при заполнении взрывчатой смесью центрального участка рукава оболочка слегка проседает, что приводит к повышению давления в грунтовой воде в зоне нижнего участка оболочки. А это давление рассматривается как опорное давление для центрального участка оболочки, то есть вода поддерживает оболочку в состоянии контакта рукава со стенкой скважины и не позволяет заполненному центральному участку оболочки проседать под весом взрывчатого состава. Так как под центральным участком имеется опорное давление, то оболочка этого участка плотно входит в контакт со стенкой скважины.

Преимуществом также является то, что к рукаву предъявлено только одно требование - это быть выполненным из водонепроницаемого материала. В качестве такого материала могут использоваться водонепроницаемые ткани или полимерная пленка. Водонепроницаемые ткани - это ткани, которые по своей сути были обработаны, чтобы стать устойчивыми к проникновению воды и намоканию. Обычно это натуральные или синтетические ткани, которые ламинированы или покрыты гидроизоляционными материалами, такими как воск, резина, полиуретан (PU), поливинилхлорид (ПВХ), силиконовый эластомер или фторполимеры.

В части применения водонепроницаемой ткани возможно использование водонепроницаемых тканей с функцией пропускания воздуха (так называемые «дышащие» ткани). При заполнении рукава возможно образование воздушных карманов в оболочке. В этом случае воздух может выходить через ткань в воду.

Но наличие воды в полостях указанных зазоров может оказывать отрицательное влияние на протекание процесса взрыва в части совмещения действия воздушной волны и кольцевом зазоре от детонационной волны, кольцевом зазоре между стенкой оболочки и стенкой скважины. Для исключения этого совмещения переход 12 участков меньшего поперечного размера оболочки в участок большего поперечного размера выполнен в виде наклонных поверхностей оболочки с углом β наклона в 30-34°. Это позволяет обеспечить отставание ударной воздушной волны в кольцевом зазоре от детонационной волны. Данные значение углов получены экспериментально именно для рукава заявленной конструкции. При этом именно на этих скошенных поверхностях образуется опорное давление от грунтовой воды в зоне нижнего участка.

Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет заряжать обводненные нисходящие скважины низкоплотной взрывчатой смесью без дополнительных (обязательных) операций по осушке скважин, что существенно сокращает время на подготовку оконтуренных скважин к взрыванию.

Изобретение относится к горно-взрывным работам. Рукав для заряжания обводненных скважин низкоплотным взрывчатым составом выполнен в виде герметизированной с одного конца трубчатой формы оболочки из водонепроницаемого гибкого материала, обладающего свойством неудержания формы. С герметизированным концом оболочки связан груз с удельной плотностью, превышающей удельную плотность заполняющей скважину грунтовой воды. Другой конец оболочки использован для ввода в ее полость шланга подачи взрывчатого состава. Герметизированный конец оболочки выполнен из материала, обладающего свойством растяжения. Полость в зоне этого конца заполнена тяжелой жидкостью с удельной плотностью выше удельной плотности грунтовой воды. В центральной части на участке, отстоящем от герметизированного конца оболочки и на участке, отстоящем от другого конца оболочки, диаметр оболочки, заполненной взрывчатой смесью, совпадает с диаметром скважины. На остальных участках и в зоне герметизированного конца диаметр заполненной взрывчатым составом оболочки выполнен меньше диаметра участка оболочки в центральной части. Переход участков меньшего диаметра в участок большего диаметра выполнен в виде наклонных поверхностей оболочки с углом наклона в 30-34°. Техническим результатом является создание рукава, обладающего возможностью гарантированной укладки на дно скважины даже в условиях наличия в ней воды и зацепления со стенкой скважины для исключения всплытия рукава при его заполнении низкоплотным ВВ. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рукав для заряжания обводненных скважин низкоплотным взрывчатым составом, представляющий собой трубчатую оболочку из водонепроницаемого гибкого материала, один конец которой загерметизирован и снабжен грузом, а другой выполнен с возможностью ввода в ее полость шланга подачи взрывчатого состава, отличающийся тем, что оболочка выполнена из трех участков с разными диаметрами, при этом центральный участок выполнен с большим диаметром оболочки, совпадающим с диаметром скважины, а переход участков меньшего диаметра в участок большего диаметра выполнен в виде наклонных поверхностей оболочки с углом β наклона в 30-34°, герметизированный конец оболочки выполнен из водонепроницаемого тканевого материала, отличного от материала основной оболочки, а в качестве груза полость в зоне этого конца заполнена тяжелой жидкостью с удельной плотностью выше удельной плотности грунтовой воды.

2. Рукав по п. 1, отличающийся тем, что по крайней мере часть стенки на участке оболочки со стороны размещения тяжелой жидкости выполнена из нерастяжимого материала и имеет форму полого цилиндра, а герметизированный конец оболочки выполнен из водонепроницаемого тканевого стретчевого материала.

3. Рукав по п. 1, отличающийся тем, что герметизированный конец оболочки выполнен из водонепроницаемого тканевого стретчевого материала.