Рукав зарядный формообразующий, заполняемый скважинной водой при заряжании Российский патент 2024 года по МПК F42D1/08 F42B3/87 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности и может быть использовано при производстве взрывных работ как в сухих скважинах, так и в обводненных.

Многообразие физико-механических свойств горных пород, их трещиноватости, обводненности и условий залегания требует дифференцируемого подхода не только к выбору ВВ, но и к выбору конструкции скважинного заряда, т.к. последняя может существенно влиять на плотность распределения энергии, получаемой средой при взрыве заряда. Известны способы управления конструкцией заряда путем изменения пространственной формы скважины [С.146 книги «Основы теории и методы взрывного дробления горных пород/ Под ред. В.М. Комира. - Киев: Наук. думка, 1979. - 224 с.]. Однако данные способы требуют выполнения дополнительных взрывных или буровых работ, что сопряжено со снижением производительности и повышением стоимости взрывных работ. В настоящее время при открытой добыче полезных ископаемых при создании нисходящих скважинных зарядов широко применяются тканевые рукава-оболочки. В качестве преимуществ данного способа формирования заряда отмечаются не только снижение удельного расхода ВВ, уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду и более равномерного дробления взорванной горной массы, но и возможность получения необходимой формы заряда, позволяющей повысить эффективность взрывных работ. Придание заряду посредством соответствующей конструкции рукава-оболочки позволит в широких пределах изменять плотность распределения энергии, получаемой средой при взрыве заряда, по высоте отбиваемого слоя, что позволит снизить негативное воздействие обратного выброса, облегчит преодоление сопротивления по подошве и получить более равномерное дробление. Однако опыт применения рукавов-оболочек при создании скважинных зарядов показывает, что при заряжании обводненных скважин под действием гидростатического давления воды возникает прилипание ткани рукава-оболочки к поверхности зарядного шланга, что осложняет зарядные работ и может привести к механическому повреждению рукава-оболочки.

Известен способ формирования контурных зарядов из эмульсионных взрывчатых веществ (патент РФ № 2061864, опубл. 10.06.1996) (принят за аналог), включающий газогенерацию горячей смеси, ее заливку в оболочку и охлаждение до полной кристаллизации окислителя, согласно изобретению с целью снижения нарушений законтурного массива при создании контурной щели путем приведения плотности контурного заряда по его длине в соответствие с разрушаемостью пород по высоте уступа, в процессе газогенерации смеси изменяют процентное содержание вводимой в нее добавки, а охлаждение заряда до полной кристаллизации окислителя ведут при постоянном гидростатическом давлении до помещения его в скважину. Процентное содержание вводимой газогенерирующей добавки нитрита натрия определяют в зависимости от крепости пород из соотношения.

Недостатком метода является сложность формирования заряда переменной плотности и трудоемкость выполнения зарядных работ.

В патенте RU 2716067C1 [Патент RU2716067C1. Рукав зарядный универсальный/ Федотенко В.С., Кокин С.В., Федотенко Н.А., Федотенко С.М.// Опубл. 05.03.2020], предлагается применять рукав, включающий забоечную часть диаметром равную диаметру скважины и зарядную часть с герметично закрытым торцом и диаметром менее диаметра скважины с размещением боевика в специальном кармане. При этом зарядная и забоечная часть выполнены как единое целое (монолитными), а на герметично закрытом торце расположены регулируемые застежки, позволяющие регулировать длину зарядной части рукава.

Недостатками этого способа является неизменность диаметра зарядной части рукава по его длине, что осложняет управление взрывным воздействием на отбиваемый массив, так как не позволяет дифференцировать распределение плотности энергии, передаваемой массиву при взрыве, по высоте заряда, а также возможность прилипания ткани рукава к зарядному шлангу.

В патенте RU 2153148C1 [RU2153148C1. Способ заряжания обводненных скважин водосодержащим взрывчатым веществом/В.И. Захаров, Н.Л. Вяткин, В.И. Почекутов, Д.Р. Красовский, В.А. Матвеев, Д.В. Майоров, А.Р. Алишкин, М.Н. Вяткин, В.П. Ковалевский// Опубл. 20.07.2000] предлагается в качестве защитного рукава использовать воздухо-водопроницаемый рукав, выполненный из материала, обеспечивающего проницаемость через 1 дм² его поверхности 0,5-10,0 л воды в минуту, в который закачивают водосодержащее взрывчатое вещество, имеющее температуру 60-90°C. Рукав выполняют из синтетического тканого, плетеного или перфорированного пленочного материала, температурный предел применения которого не ниже температуры водосодержащего взрывчатого вещества, или из натурального тканого или пленочного материала.

Достигаемый результат заключается в повышении производительности и надежности предохранения заряда от растекания по трещинам в стенках скважин, а также от вымывания заряда проточной водой при механизированном заряжании водосодержащего взрывчатого вещества в обводненные скважины. Воздухо-водопроницаемый защитный рукав способствует облегченному введению в него зарядного шланга без обрывов и нарушения сплошности рукава, гарантируя тем самым высокую безопасность работ при взрывной отбойке сульфидсодержащих руд и пород.

Недостатком метода является продолжительность намокания рукава, что снижает производительность зарядных работ и при недостаточном намокании может приводить к механическому повреждению рукава, а также отсутствие как забойки на все сечение скважины, так и управления величиной взрывного воздействия на стенки скважины путем придания колонке заряда оптимальной формы в соответствие с прочностными параметрами разрушаемой среды, при их изменении по высоте скважинного заряда.

В патенте № RU 2160424 C1 (принят за прототип) [№ RU 2160424 C1. Способ заряжания обводненных скважин водосодержащим взрывчатым веществом/ Матвеев В.А., Майоров Д.В., Красовский Д.Р., Захаров В.И., Почекутов В.И., Алишкин А.Р., Вяткина Н.А., Вяткин М.Н., Ковалевский В.П.// Опубл. 10.12.2000] для повышения надежности предохранения заряда от вымывания проточной водой и от растекания по трещинам в стенках скважин, а также в увеличении производительности процесса заряжания скважин водосодержащим взрывчатым веществом предложено заполнять водонепроницаемый рукав водой скважины. Для этого перед погружением рукава в скважину в его нижней торцовой части формируется отверстие, которое позволяет при погружении рукава в скважину заполняться рукаву водой, находящейся в скважине. При этом площадь отверстия выбирать такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. При необходимости через отверстие в рукав вводится распорный элемент, а линейный участок рукава между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибают внутрь рукава. Распорный элемент имеет круглое сечение, однако оно может иметь и другую геометрическую форму, например, овальную.

Перед или одновременно с размещением в рукаве зарядного шланга рукав может быть дополнительно заполнен водой через его верхнюю часть. Заполнение рукава водой, находящейся в скважине, способствует проверке работы обратного клапана из загнутого внутрь линейного участка рукава и обеспечивает беспрепятственное размещение зарядного шланга внутри рукава, исключая механическое повреждение его оболочки. Полное изолирование заряда водосодержащего взрывчатого вещества от дна и стенок скважины повышает безопасность ведения работ при взрывной отбойке руд и пород, содержащих примеси сульфидов.

Недостатками этого способа являются непредусмотренности: забойки на все сечение скважины и управления величиной взрывного воздействия на стенки скважины путем придания колонке заряда оптимальной формы в соответствие с прочностными параметрами разрушаемой среды, при их изменении по высоте скважинного заряда.

Многообразие физико-механических свойств горных пород, их трещиноватости, обводненности и условий залегания требует дифференцируемого подхода не только к выбору ВВ, но и к выбору конструкции скважинного заряда, т.к. последняя может существенно влиять на плотность распределения энергии, получаемой средой при взрыве заряда. Известны способы управления конструкцией заряда путем изменения пространственной формы скважины [С. 146 книги «Основы теории и методы взрывного дробления горных пород/ Под ред. В.М. Комира. - Киев: Наук. думка, 1979. - 224 с.]. Однако данные способы требуют выполнения дополнительных взрывных или буровых работ, что сопряжено со снижением производительности и повышением стоимости взрывных работ. В настоящее время при открытой добыче полезных ископаемых при создании нисходящих скважинных зарядов широко применяются тканевые рукава-оболочки. В качестве преимуществ данного способа формирования заряда отмечаются не только снижение удельного расхода ВВ, уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду и более равномерного дробления взорванной горной массы, но и возможность получения необходимой формы заряда, позволяющей повысить эффективность взрывных работ. Придание заряду посредством соответствующей конструкции рукава-оболочки позволит в широких пределах изменять плотность распределения энергии, получаемой средой при взрыве заряда, по высоте отбиваемого слоя, что позволит снизить негативное воздействие обратного выброса, облегчит преодоление сопротивления по подошве и получить более равномерное дробление. Однако опыт применения рукавов-оболочек при создании скважинных зарядов показывает, что при заряжании обводненных скважин под действием гидростатического давления воды возникает прилипание ткани рукава-оболочки к поверхности зарядного шланга, что осложняет зарядные работ и может привести к механическому повреждению рукава-оболочки.

Технический результат - повышение надежности зарядных работ за счет ликвидации возможности сжатия (схлопывания) рукавом зарядного шланга и увеличением эффективности взрыва за счет придания колонке заряда оптимальной формы в соответствие с прочностными параметрами разрушаемой среды.

Технический результат достигается за счет того, что рукав зарядный формообразующий универсальный включает забоечную часть диаметром равным диаметру скважины и зарядную часть с переменным по ее длине диаметром.

В нижней торцовой части рукава формируется отверстие, которое позволяет при погружении рукава в скважину заполняться рукаву водой, находящейся в скважине. При этом площадь отверстия выбирать такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. При необходимости через отверстие в рукав вводится распорный элемент, а линейный участок рукава между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибают внутрь рукава. Распорный элемент имеет круглое сечение, однако оно может иметь и другую геометрическую форму, например, овальную. Зарядная и забоечная часть выполнены как единое целое. Боевик размещают в зарядной части внутри рукава или в наружном кармане на внешней поверхности зарядной части.

Предлагаются два варианта выполнения рукава зарядного формообразующего универсального.

Рукав зарядный формообразующий универсальный по первому варианту включающий зарядную часть и забоечную часть с диаметром равным диаметру скважины, зарядная и забоечная части выполнены как единое целое, на поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза, а в его нижней торцовой части формируют отверстие при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. Отличием является то, что зарядная часть выполнена с переменным по ее длине диаметром в виде конуса, где верхняя часть конуса, соединяющая забоечную часть и зарядную имеет диаметр, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле:

, где

f - крепость горных пород,

Dc - диаметр скважины, а внизу зарядная части выполнена по размеру скважины.

По второму варианту рукав зарядный формообразующий универсальный включающий зарядную часть и забоечную часть, зарядная и забоечная части выполнены как единое целое, на поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза, а в его нижней торцовой части формируют отверстие при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. Отличием является то, что забоечная часть выполнена в виде конуса, где диаметр верхней части конуса равна диаметру скважины, а нижняя часть конуса имеет диаметр, рассчитанный по формуле:

, где

f - крепость горных пород,

Dc - диаметр скважины, а зарядная часть рукава имеет вид объемной фигуры, имеющей нижний диаметр равный диаметру скважины, а в верхней части в месте нахождения более прочных пород, выполненной с диаметром d₁, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле:

d₁ - диаметр верхней зарядной части,

f₁ - крепость горных пород,

Dc - диаметр скважины,

соединение цилиндрических поверхностей и основной конусообразной поверхности осуществляется посредством конусных поверхностей, направляющие которых составляют угол 30-40 градусов с осью заряда.

Сущность изобретения показана на фиг. 1 и фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 где на фиг. 1 показан рукав по первому варианту, на фиг. 2 показан рукав по второму варианту, на фиг. 3 - зависимость приведенного радиуса полости в момент окончания расширения (R*/Ro) от приведенного расстояния (z/L), на фиг. 4 - зависимость коэффициента возрастания вертикальной составляющей силы, действующей на массив, при взрыве конусообразного заряда по сравнению с цилиндрическим от коэффициента крепости пород.

Как известно из уровня техники лучшей формой заряда при отбойке однородных пород является конусообразная форма, «… при которой количество взрывчатых веществ (ВВ), приходящее на единицу длины зарядной камеры, является величиной переменной и возрастает от кровли к подошве уступа» [с.147 книга «Основы теории и методы взрывного дробления горных пород/под ред. В.М. Комира. - Киев: Наук. Думка, 1979. - 224 с.].

Описание сущности по первому варианту.

Масса конусообразного заряда равна:

М=рV, где (1)

р - плотность ВВ,

V - объем усеченного конуса.

Объем усеченного конуса рассчитываем по формуле [справочник по математике для инженеров и студентов втузов /Бронштейн И.Н., Семендяев К.А.- Наука, 1980, с. 974].

, (1)

где h - длина заряда, d и D - диаметры верхнего и нижнего сечения заряда соответственно.

D_c - диаметр скважины.

В случае, когда D=D_c отношение массы конусообразного заряда к массе заряда такой же высоты, но заполненного ВВ на полное сечение скважины определяется:

. (2)

Согласно [с. 263. Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008, № 3/ Оптимизация взрывных работ путем рассредоточения заряда в скважинах разреза / С.М. Федотенко, С.В. Гришин, С.В. Кокин, В.С. Федотенко] оптимальный удельный расход при заряжании скважины с воздушным промежутком равен

, (3)

где - удельный расход для заряда, заряженного на все сечение скважины, кг/м³; - крепость горных пород по М.М. Протодьяконову.

Учитывая, что удельный расход ВВ прямо пропорционален массе заряда, на основании (2), (3) получаем условие для оптимального конусообразного заряда:

. (4)

На основании (4) получаем

(5)

Уравнение (5) выражает технически значимое значение диаметра верхней части конусообразного заряда по первому варианту, позволяющее производить необходимый раскрой рукавов-оболочек.

В табл. 1 приведены значения отношения при различной крепости горных пород.

Табл. 1. Значения приведенного диаметра верхней части конусообразного заряда в зависимости от коэффициента крепости пород по М.М. Протодьяконову

4 6 8 10 0,618 0,725 0,785 0,823

Сущность технического решения рукава зарядного формообразующего универсального по первому варианту поясняется на фиг. 1, где

зарядная часть обозначена 1, швы, которыми сшит рукав по раскрою обозначены 2, боковые сгибы - 3, открытый нижний торец - 4, забоечная часть - 5, стопорное кольцо обозначено - 6, карман для груза - 7, груз обозначен 8, карман 9 для размещения детонатора (боевика) 1.

Рукав прошит по всей длине прочными швами 2 в соответствии с раскроем, как следует из расчетов. Заявляемый рукав зарядный формообразующий универсальный (далее по тексту рукав) состоит из зарядной и забоечной частей, выполненных как единое целое (монолитными) из цельнотянутого эластичного рукава путем прошивания вдоль его боковых сгибов по длине зарядной части рукава. Главное свойство материала, используемого для рукава, - это эластичность, т.е. растяжимость, гибкость, упругость. Он должен легко скользить по скважине и, если есть неровности в скважине (смещение кусков породы в скважине, неровности, изгибы и т.д.), легко изгибаться. Это препятствует его повреждению в скважине, а, следовательно, влияет на эффективность взрывных работ. Цельнотянутый эластичный рукав прошивают вдоль его боковых сгибов по длине зарядной части согласно раскрою, выполненному на основании вышеуказанных расчетов. Если боковой шов порвется, то ВВ не высыпается из рукава, так как рукав цельнотянутый, что придает рукаву дополнительную надежность. Боковые сгибы 3 повышают надежность при этом и, следовательно, эффективность проведения взрывных работ. При этом эластичную оболочку рукава зарядного предполагается выполнять в разных вариантах исполнения. Эластичная оболочка может быть, как герметичной, гидроизолирующей, так не обладать этими свойствами.

Поэтому рукав может быть использован как в условиях обводненных скважин, так и сухих. Рукав может быть использован для заряжания в него как водоустойчивых эмульсионных ВВ (или других аналогичных типов ВВ), так и для различных типов сыпучих ВВ. Таким образом, с разнообразным назначением для разнообразного применения. Поэтому рукав универсален при его использовании.

Заявляемый рукав состоит из следующих основных частей: зарядной части 1, которая образована путем прошивания по длине зарядной части 1 рукава швами 2 вдоль его боковых сгибов по длине зарядной части согласно раскрою, выполненному на основании вышеуказанных расчетов вдоль его боковых сгибов 3, с открытым нижним торцом 4, и забоечной части 5, диаметр которой равен диаметру скважины, предназначенной для формирования забойки заряда взрывчатого вещества инертным материалом (буровой штыб, отсев, щебень), прочно соединенной со стопорным кольцом 6, предназначенным для фиксации зарядного рукава на устье скважины в процессе формирования заряда ВВ. В нижней торцовой части рукава формируется отверстие, которое позволяет при погружении рукава в скважину заполняться рукаву водой, находящейся в скважине. При этом площадь отверстия выбирать такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. В рукав через отверстие вводится распорный элемент круглого или овального сечения, а линейный участок рукава между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибают внутрь рукава, что позволяет сформировать обратный клапан при подаче ВВ в рукав. Промежуточный детонатор (боевик) вводится или непосредственно в рукав при зарядке, или он размещается в специальном кармане, сделанном на внешней поверхности рукава, в момент формирования заряда ВВ.

Заявляемое устройство работает следующим образом. После доставки заявляемых устройств на заряжаемый буровзрывной блок и определения скважин, предназначенных для заряжания зарядными рукавами универсальными с конкретными параметрами (согласно проекту массового взрыва), необходимо:

- проверить глубину скважины до заряжания, и убедиться, что глубина скважины не превышает общую длину заявляемого устройства;

- подготовить заявляемое устройство: установить распорное устройство на необходимой длине рукава;

- залить в рукав 10-20 л воды и обеспечить перекрывание отверстия распорного устройства частью завернутого внутрь рукава;

- промежуточный детонатор поместить в карман, предназначенный для него. Количество промежуточных детонаторов определяется проектом массового взрыва;

- произвести опускание устройства в скважину под действием груза, размещенного предварительно в специальном кармане. Произвести заряжание скважины взрывчатым веществом. Заряд ВВ подается массой, определенной в техническом расчете, но при этом столб заряда не может быть больше длины зарядной части рукава. По окончании заряжания производится засыпка забоечной части устройства забоечным материалом (буровой штыб, отсев, щебень). Заполнение забоечной части рукава забоечным материалом необходимо производить до уровня стопорного кольца. В случае заряжания сильно обводненных скважин заполнение забоечной части рукава забоечным материалом можно не производить, так как функция забойки будет осуществляться столбом воды над скважинным зарядом.

Расстояние от стопорного кольца 6 до места, где диаметр d верхней части конуса зарядной части рукава определяется принятой в проекте буровзрывных работ длиной забойки. Обычно длина забойки принимается равной , где - л.н.с. (линия наименьшего сопротивления) [стр. 170. Кучерявый Ф.И. Разрушение горных пород/ Ф.И. Кучерявый, Ю.М. Кожушко. - М.: Недра. - 1972. - 240 с.]. Забоечная часть 5 прочно соединяется со стопорным кольцом 6. За счет этого рукав зарядный формообразующий универсальный надежно фиксируется в устье скважины, что является существенным для процесса формирования заряда ВВ и эффективного проведения взрывных работ. шнуровка и т.п.). Карман 7 для размещения груза 8 расположен на поверхности рукава и предназначен для равномерного распределения рукава в скважине. На этой же поверхности, выше кармана 7 для груза 8, расположен карман 9, который предназначен для размещения в нем промежуточного детонатора 10 (боевика) в момент формирования заряда ВВ. Количество карманов 9 для промежуточного детонатора 10 определяется в соответствии с проектом массового взрыва Размещение детонатора (боевика) 10 в кармане 9 позволит упростить его опускание в скважину во время ее заряжания.

Одной из составляющих повышения эффективности взрывных работ являются запирающие свойства забойки. По окончании заряжания производится засыпка забоечной части устройства забоечным материалом (буровой штыб, отсев, щебень). Заполнение забоечной части рукава забоечным материалом необходимо производить до уровня стопорного кольца. Происходит запирание продуктов взрыва в полости скважины, что «обеспечивает увеличение длительности действия газообразных продуктов детонации на зарядную полость и на первичные (радиальные) трещины, образующиеся на границе с зарядной полостью в процессе возникновения и прохождения ударной волны, а также способствует уменьшению количества ядовитых газов, в частности окиси углерода, за счет более полного протекания вторичных реакций в продуктах детонации» [С.185 книги «Основы теории и методы взрывного дробления горных пород/ Под ред. В.М. Комира. - Киев: Наук. думка, 1979. - 224 с.].

Разрушение горных пород при взрыве заряда ВВ происходит под воздействием напряжений, возникающих в среде под действием расширяющихся продуктов детонации, которые образуются при взрыве.

Сравним разрушающее воздействие взрыва конусовидного и цилиндрического зарядов на окружающие их горные породы. Рассмотрим случаи взрыва зарядов в обводненной скважине, т.к. данный случай имеет наибольший практический интерес для угольных разрезов Кузбасса.

Рассмотрим цилиндрический заряд радиуса , размещенный в скважине радиуса . Ось заряда и скважины совпадают, а пространство между зарядом и стенками скважины заполнены водой.

Введем следующие обозначения:

А) Параметры, характеризующие ВВ

- среднее начальное давление в продуктах детонации;

- коэффициент политропы продуктов детонации;

Б) Параметры в законе Тэта при сжатии воды [стр. 357 книги Баум Ф.А. Физика взрыва /Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер. - М.: Физматгиз, 1959. - 800с.] -

= 394 МПа; = 8;

В) Параметры, характеризующие разрушаемую среду:

- модуль сдвига, Па;

- предел прочности породы на сжатие, Па;

- предел прочности породы на разрыв, Па;

- сцепление, Па;

- коэффициент внутреннего трения.

Рассмотрим конечную стадию расширения взрывной полости.

Под действием давления взрывных газов вокруг полости образуется зона мелкого дробления (переизмельчения), а далее - зона радиальных трещин [стр. 71 статьи Друкованый М.Ф. Расчет зон разрушения при взрыве цилиндрических зарядов в скальных породах/ М.Ф. Друкованый, В.С. Кравцов, Ю.Е. Чернявский, В.В. Шеленок, И.П. Рева, С.Н. Зверьков// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976. - № 3. - С. 70-75]. При этом радиус радиальных трещин, определяющий размеры зоны управляемого дробления, пропорционален радиусу взрывной полости после ее расширения под действием продуктов взрыва [стр. 74 статьи Друкованый М.Ф. Расчет зон разрушения при взрыве цилиндрических зарядов в скальных породах/ М.Ф. Друкованый, В.С. Кравцов, Ю.Е. Чернявский, В.В. Шеленок, И.П. Рева, С.Н. Зверьков// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976. - № 3. - С. 70-75]. Поэтому знание конечного радиуса полости при взрыве позволяет осуществлять сравнение эффективности применения конусовидного или цилиндрического зарядов.

Введем дополнительные обозначения:

и - радиусы скважины и границы «продукты детонации-вода» в момент прекращения расширения скважины, соответственно;

и - начальная плотность воды и плотность сжатой воды в момент прекращения расширения скважины, соответственно.

Масса воды, окружающей заряд остается неизменной, следовательно

. (6)

Из (6) получаем

. (7)

Давление в среде на границе полости в момент окончания ее расширения равно [стр. 73 статьи Друкованый М.Ф. Расчет зон разрушения при взрыве цилиндрических зарядов в скальных породах/ М.Ф. Друкованый, В.С. Кравцов, Ю.Е. Чернявский, В.В. Шеленок, И.П. Рева, С.Н. Зверьков// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976. - № 3. - С. 70-75]:

. (8)

Принимаем, что расширение газа политропное [с.19 книга «Основы теории и методы взрывного дробления горных пород/под ред. В.М. Комира. - Киев: Наук. Думка, 1979. - 224 с.]. Тогда

. (9)

На основании (9) получаем

. (10)

Закон Тэта для сжатой воды в момент окончания расширения скважины запишется в виде [стр. 357 книги Баум Ф.А. Физика взрыва /Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер. - М.: Физматгиз, 1959. – 800 с.]:

. (11)

Исходя из (7), (8)-(11), получаем

. (12)

В случае конусовидного заряда величина радиуса заряда изменяется по длине заряда, что обуславливает в соответствие с (12) изменение величины радиуса полости в момент окончания расширения по длине заряда.

Для наглядности на фиг. 1 представлена, построенная на основании (12) для взрыва скважинного заряда в известняке, зависимость приведенного радиуса (R*/Ro) от приведенного расстояния (z/L), где L - длина заряда, м; z - расстояние от забоя скважины до рассматриваемого сечения заряда.

Применяемое ВВ - ЭВВ с характерными значениями: = 4 ГПа; = 2,8 [стр. 170 книги Горинов С.А. Инициирование и детонация эмульсионных взрывчатых веществ/ С.А. Горинов. - Йошкар-Ола: ООО ИПФ «Стринг». - 2020. - 214 с.].

Физико-механические параметры известняка: = 2,1 ГПа; = 62 МПа; = 6,3 МПа; = 42 МПа; = 0,42 [стр. 75 статьи Друкованый М.Ф. Расчет зон разрушения при взрыве цилиндрических зарядов в скальных породах/ М.Ф. Друкованый, В.С. Кравцов, Ю.Е. Чернявский, В.В. Шеленок, И.П. Рева, С.Н. Зверьков// Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976. - № 3. - С. 70-75].

Расчет величины приведенного радиуса конусообразного заряда в зависимости от приведенного расстояния осуществлялся по формуле

, (13)

где, в соответствие с (5), . (14)

На фиг. 3 показана зависимость приведенного радиуса полости в момент окончания расширения (R*/Ro) от приведенного расстояния (z/L).

Из уравнения (13) определяем радиус цилиндрического заряда при наиболее эффективной плотности заряжания:

. (15)

Для длинных зарядов () можно пренебречь влиянием объема полости в концах заряда на общий объем полости, образующейся при взрыве линейного заряда. Тогда, учитывая, что форма полости, образующейся при взрыве конусообразного заряда, имеет форму близкую к форме усеченного конуса, находим отношение объема полости конусообразного заряда к объему полости цилиндрического заряда, взятые в момент окончания их расширения:

, (16)

где , , - радиусы полостей, образующихся в среде при взрыве цилиндрического и конусообразного (в верхней и нижней части) зарядов, соответственно.

Расчеты, выполненные на основании (14)-(16), показывают, что в широком диапазоне параметров ВВ и физико-механических свойств горных пород выполняется условие . При этом равенство выполняется с точностью до 0,2-0,9%. Таким образом, объемы полостей конусообразного и цилиндрического зарядов (при ), взятые в момент окончания их расширения, практически совпадают. Следовательно, совпадают и объемы зон регулируемого дробления, образующиеся в горных породах при взрыве зарядов.

Однако конусообразные заряды, не уступая цилиндрическим зарядам в вопросах дробления пород, обладают преимуществом в проработке пород подошвы уступа. Последнее объясняется тем, что при взрыве конусообразного заряда в среде возникают более значительные вертикальные силы, по сравнению с цилиндрическим зарядом. Это облегчает разрушение пород в нижней части уступа и позволяет осуществлять более качественную проработку подошвы уступа.

Действительно, в момент окончания квазистатической фазы действия взрыва вертикальная составляющая сил, действующих на разрушаемый массив, равна:

А) Для цилиндрического заряда -

. (17)

Б) Для конусообразного заряда -

, (18)

где - внутренняя поверхность полости, образующаяся при взрыве заряда;

- длина вдоль образующей внутренней поверхности полости;

- угол между образующей внутренней поверхности и осью заряда.

На основании (17) и (18), получаем следующее значение коэффициента возрастания вертикальной составляющей силы, действующей на массив, при взрыве конусообразного заряда по сравнению с цилиндрическим

. (19)

Исходя из (12), (15) и (19), получаем

. (20)

Анализ выражения (20) показал, что наибольшее влияние на величину оказывает крепость отбиваемых руд. На рис. 2 приведена зависимость .

На фиг. 4 показана зависимость коэффициента возрастания вертикальной составляющей силы, действующей на массив, при взрыве конусообразного заряда по сравнению с цилиндрическим от коэффициента крепости пород.

Таким образом, заявленный технический результат при использовании первого варианта достигается за счет того, что конусовидная форма заряда, размещенного в зарядной части рукава направляет часть энергии взрыва вверх, чем существенно облегчает проработку подошвы забоя.

Описание сущности по второму варианту.

Второй вариант изобретения предлагается при отбойке разной прочности пород по длине скважины.

Заявляемый рукав состоит из следующих основных частей: зарядной части 1, которая образована путем прошивания по длине зарядной части 1 рукава швами 2 вдоль его боковых сгибов по длине зарядной части согласно раскрою, выполненному на основании вышеуказанных расчетов вдоль его боковых сгибов 3, с открытым нижним торцом 4, и забоечной части 5, диаметр которой равен диаметру скважины, предназначенной для формирования забойки заряда взрывчатого вещества инертным материалом (буровой штыб, отсев, щебень), прочно соединенной со стопорным кольцом 6, предназначенным для фиксации зарядного рукава на устье скважины в процессе формирования заряда ВВ. В нижней торцовой части рукава формируется отверстие, которое позволяет при погружении рукава в скважину заполняться рукаву водой, находящейся в скважине. При этом площадь отверстия выбирать такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. В рукав через отверстие вводится распорный элемент круглого или овального сечения, а линейный участок рукава между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибают внутрь рукава, что позволяет сформировать обратный клапан при подаче ВВ в рукав. Промежуточный детонатор (боевик) вводится или непосредственно в рукав при зарядке, или он размещается в специальном кармане, сделанном на внешней поверхности рукава, в момент формирования заряда ВВ.

Заявляемое устройство работает следующим образом. После доставки заявляемых устройств на заряжаемый буровзрывной блок и определения скважин, предназначенных для заряжания зарядными рукавами универсальными с конкретными параметрами (согласно проекту массового взрыва), необходимо:

- проверить глубину скважины до заряжания, и убедиться, что глубина скважины не превышает общую длину заявляемого устройства;

- подготовить заявляемое устройство: установить распорное устройство на необходимой длине рукава;

- залить в рукав 10-20 л воды и обеспечить перекрывание отверстия распорного устройства частью завернутого внутрь рукава;

- промежуточный детонатор поместить в карман, предназначенный для него. Количество промежуточных детонаторов определяется проектом массового взрыва;

- произвести опускание устройства в скважину под действием груза, размещенного предварительно в специальном кармане. Произвести заряжание скважины взрывчатым веществом. Заряд ВВ подается массой, определенной в техническом расчете, но при этом столб заряда не может быть больше длины зарядной части рукава. По окончании заряжания производится засыпка забоечной части устройства забоечным материалом (буровой штыб, отсев, щебень). Заполнение забоечной части рукава забоечным материалом необходимо производить до уровня стопорного кольца. В случае заряжания сильно обводненных скважин заполнение забоечной части рукава забоечным материалом можно не производить, так как функция забойки будет осуществляться столбом воды над скважинным зарядом.

В этом случае заряд будет представлять собой сложную объемную фигуру, состоящую из усеченного конуса с нижним диаметром, равным диаметру скважины, и верхним, определяемым в зависимости от прочности преобладающей породы, переходящую в местах пересечения прочных слоев посредством соединительных конусных поверхностей, образующие которых образуют угол 30-40 градусов с осью заряда, в цилиндры, диаметры которых соответствуют прочности пород в рассматриваемых сечениях заряда.

Рассмотрим взрывное разрушение разнопрочного по высоте заряда массива. Основной объем отбиваемых пород представлен средой с крепостью. Скважина пересекает слой более прочных пород с крепостью (фиг. 2).

Расчет d и d₁ (уравнения 5).

, (21)

. (22)

Приведенные уравнения выражают значения диаметров нижней части конуса забоечной части d и d₁ диаметра зарядной части, соответствующей зоне пересечения прочного слоя горной породы. Расчеты используются для раскроя рукавов.

На фиг. 2 обозначения элементов рукава соответствуют указанным выше обозначениям. Нижняя часть забоечной части рукава обозначена d, а d₁ диаметра зарядной части, соответствующей зоне пересечения прочного слоя горной породы

Участок горной породы обычной крепости показан f, а участок с более крепкой породой показан .

Конусовидная форма заряда, размещенного в зарядной части рукава, направляет часть энергии взрыва вверх, чем существенно облегчает проработку подошвы забоя. Однако при наличии в массиве отбиваемых пород более прочного, чем основная масса пород, слоя возникает необходимость в локальном увеличении интенсивности взрывного воздействия на породы слоя. Это достигается формированием в области пересечения прочного слоя посредством специального кроя рукава цилиндрических частей заряда, имеющих диаметр соответствующий наиболее эффективной для разрушения пород данной крепости плотности заряжания, величина которого определяется по уравнению (22).

Соединение цилиндрических поверхностей и основной конусообразной поверхности осуществляется посредством конусных поверхностей, направляющие которых составляют угол 30-40 градусов с осью заряда. Данное обстоятельство имеет существенное значение, т.к. позволяет осуществить столкновение ударных волн, исходящих из сочлененных конусных поверхностей - основной и переходной, в результате чего давление в окружающей заряд среде повышается в 4-8 раз по сравнению со взрывным воздействием скользящей детонационной волны, распространяющейся вдоль взрывной скважины [стр. 693 книги Баум Ф.А. Физика взрыва /Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И. Шехтер. - М.: Физматгиз, 1959. – 800 с.].

Таким образом, заявленный технический результат достигается за счет того, что:

конусовидная форма заряда, размещенного в зарядной части рукава направляет часть энергии взрыва вверх, чем существенно облегчает проработку подошвы забоя;

диаметр цилиндрических частей заряда имеет размеры, обеспечивающие оптимальную плотность заряжания для разрушения пород твердого слоя;

соединение цилиндрических поверхностей и основной конусообразной поверхности осуществляется посредством конусных поверхностей, направляющие которых составляют угол 30-40 градусов с осью заряда, что позволяет осуществить столкновение ударных волн, исходящий от конусных поверхностей, в результате чего давление в окружающей заряд среде повышается в 4-8 раз.

Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Осуществляется отбойка участка угольно-породного тела. Взрывные скважины участка обводнены. Диаметр скважин 228 мм. Применяемое взрывчатое вещество - эмульсионное ВВ, плотностью 1,15 г/см³. Глубина скважин - 17 м. Длина заряда - 11, 0. Крепость основного массива пород по М.М. Протодьяконову - f = 5. На глубине 10 м находится прослоек прочных пород крепостью f = 9 и толщиной 2,5 м.

Отбойка осуществлялась с применением зарядных рукавов, имеющий диаметр равный диаметру скважины. Посредством выточек, выполненных по шаблону, рукав позволял создать заряд, имеющий сложную объемную фигуру. Рукава имели длину 17,5 м. В нижней части рукав имел диаметр 230 мм. В нижней торцовой части рукава вводился распорный элемент круглого сечения, наружный диаметр распорного элемента составлял 190 мм, а внутренний - 120 мм. Линейный участок рукава длиной 0,5 м между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибали внутрь рукава, что позволило сформировать обратный клапан при подаче ВВ в рукав.

Диаметр рукава в верхней части, расположенной на расстоянии 5,5 м от верха забойной части, составлял - 165 мм. На расстоянии 10 метров от верха забойной части было создано расширение заряда. Диаметр расширения - 210 мм. Длина расширения - 2,5 м. Расширение соединяется с основным конусом заряда посредством плавных переходов, имеющих угол 40 градусов с осью заряда.

Взрыв показал удовлетворительное качество дробления. Качество подошвы уступа характеризуется, как хорошее.

Пример 2. Осуществляется отбойка участка угольно-породного тела. Взрывные скважины участка обводнены. Диаметр скважин 228 мм. Применяемое взрывчатое вещество - эмульсионное ВВ, плотностью 1,12 г/см³. Глубина скважин - 17,5 м. Длина заряда - 12. Крепость основного массива пород по М.М. Протодьяконову - f = 6. На глубине 8 метров находится прослоек прочных пород крепостью f = 8 и толщиной 2,5 м.

Отбойка осуществлялась с применением зарядных рукавов, имеющий диаметр равный диаметру скважины. Посредством выточек, выполненных по шаблону, рукав позволял создать заряд, имеющий сложную объемную фигуру. Рукава имели длину 18 метров. В нижней части рукав имел диаметр 230 мм. В нижней торцовой части рукава вводился распорный элемент круглого сечения, наружный диаметр распорного элемента составлял 190 мм, а внутренний - 120 мм. Линейный участок рукава длиной 0,5 м между его торцом и нижней кромкой распорного элемента загибали внутрь рукава, что позволило сформировать обратный клапан при подаче ВВ в рукав.

Диаметр рукава в верхней части, расположенной на расстоянии 6 м от верха забойной части, составлял - 170 мм. На расстоянии 8 м от верха забойной части было создано расширение заряда. Диаметр расширения - 205 мм. Длина расширения - 2,5 м. Расширение соединяется с основным конусом заряда посредством плавных переходов, имеющих угол 40 градусов с осью заряда.

Взрыв показал хорошие как качество дробления, так и проработку подошвы уступа.

Группа изобретений относится к горнодобывающей промышленности и может быть использована при производстве взрывных работ как в сухих скважинах, так и в обводненных. По первому варианту рукав зарядный формообразующий включает зарядную часть и забоечную часть с диаметром, равным диаметру скважины, выполненные как единое целое. На поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза. В его нижней торцовой части выполнено отверстие, при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. Зарядная часть выполнена в виде конуса, где верхняя часть конуса, соединяющаяся с забоечной частью, имеет диаметр, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле. По второму варианту рукав зарядный формообразующий включает зарядную часть и забоечную часть, выполненные как единое целое. На поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза. В его нижней торцовой части выполнено отверстие, при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины. Забоечная часть выполнена в виде конуса, где диаметр верхней части конуса равен диаметру скважины, а нижняя часть конуса имеет диаметр, рассчитанный по формуле. Зарядная часть рукава имеет вид объемной фигуры, состоящей из верхней цилиндрической части, соединенной с забоечной частью рукава, выполненной с диаметром, равным диаметру нижней части забоечного рукава, которая соединена с цилиндрической частью, соответствующей зоне пересечения прочного слоя пород, выполненной с диаметром d₁, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле. Забоечная часть соединена с конусной частью рукава, нижний диаметр которой равен диаметру скважины, при этом соединение цилиндрических поверхностей и конусообразной поверхности осуществлено посредством конусных поверхностей, направляющие которых составляют угол 30-40 градусов с осью заряда. Техническим результатом является повышение надежности зарядных работ за счет ликвидации возможности сжатия рукавом зарядного шланга и увеличение эффективности взрыва за счет придания колонке заряда оптимальной формы. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 2 пр.

1. Рукав зарядный формообразующий, включающий зарядную часть и забоечную часть с диаметром, равным диаметру скважины, зарядная и забоечная части выполнены как единое целое, на поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза, а в его нижней торцовой части выполнено отверстие, при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины, отличающийся тем, что зарядная часть выполнена в виде конуса, где верхняя часть конуса, соединяющаяся с забоечной частью, имеет диаметр, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле

где d - диаметр верхней части конуса зарядной части рукава,

f - крепость горных пород,

D_c – диаметр скважины,

а нижняя часть зарядной части выполнена с диаметром, равным диаметру скважины.

2. Рукав зарядный формообразующий, включающий зарядную часть и забоечную часть, зарядная и забоечная части выполнены как единое целое, на поверхности зарядной части выполнены карманы для размещения боевика и для размещения груза, а в его нижней торцовой части формируют отверстие, при этом площадь отверстия выбирают такой, чтобы объемный расход воды через него был не менее 0,5 дм³/с, а максимальный эквивалентный диаметр отверстия не превышал 0,85 диаметра скважины, отличающийся тем, что забоечная часть выполнена в виде конуса, где диаметр верхней части конуса равен диаметру скважины, а нижняя часть конуса имеет диаметр, рассчитанный по формуле

где d - диаметр нижней части конуса забоечной части рукава,

f - крепость горных пород,

D_c – диаметр скважины,

а зарядная часть рукава имеет вид объемной фигуры, состоящей из верхней цилиндрической части, соединенной с забоечной частью рукава, выполненной с диаметром, равным диаметру нижней части забоечного рукава, которая соединена с цилиндрической частью, соответствующей зоне пересечения прочного слоя пород, выполненной с диаметром d₁, который рассчитан в зависимости от прочности горной породы по формуле

где d₁ – диаметр зарядной части рукава в зоне пересечения прочного слоя пород,

f₁ - крепость горных пород,

D_c – диаметр скважины,

которая соединена с конусной частью рукава, нижний диаметр которой равен диаметру скважины, при этом соединение цилиндрических поверхностей и конусообразной поверхности осуществляется посредством конусных поверхностей, направляющие которых составляют угол 30-40 градусов с осью заряда.