CC BY
47
УДК 622.232
И.Б.Катанов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ С ПЕНОГЕЛЕВОЙ ЗАБОЙКОЙ
Основой пеногелевой забойки являются водные растворы пенно- гелеобразующих веществ. Простейшие промышленные аммиачно-селитренные ВВ, в т.ч. гранулит УП, грану-лит НК и т.п. весьма гигроскопичны. Поэтому для определения возможности использования пеногеля в конструкции скважинного заряда были проведено моделирование процесса формирования заряда с пеногелевой забойкой.
Исследования проведены с целью определения способности пеногеля смачивать ВВ и приводить к усадке зарядов, а так же к изменению физических характеристик низкоплотных материалов в конструкции колонки заряда во времени при взаимодействии с зарядом ВВ и массивом. Уменьшение колонки заряда может привести к перераспределению энергии взрыва, ухудшению детонационных характеристик ВВ и более высокому содержанию вредных газов в продуктах взрыва.
Для определения влияния гидродинамических характе-
ристик массива на заряд ВВ с различным материалом забойки была разработана, при участии автора, и изготовлена лабораторная установка [1] (рис.1), состоящая из прозрачного сосуда 1 (скважины),
диаметром 220 мм, проградуированного по высоте и снабженного загрузочной воронкой 2 в верхней и сливом 3 в нижней его части. Для имитации процесса фильтрации по высоте скважина через 0,3 м снабжена отверстиями 4 с конусными регуляторами 5. Сосуд (скважина) размещен внутри другого прозрачного сосуда 6, диаметром 600 мм, имитирующего обводненный массив и оборудованного водопроводом 7, манометром 8, воздухо-
проводом 9 и сливом 10.
Температура воды, заливаемой в сосуд (массив) регулируется в соответствии с температурой во взрывных скважинах (примерно +70С). С помощью регуляторов 5 притока и слива 10 в «скважине» устанавливались различные режимы притоков (от 20 до 1000 л/ч) и скорости фильтрации (от 0 до 5 м/сутки). Давление столба воды в «скважине» регулировалось с помощью сжатого воздуха, подаваемого в «массив» и контролировалось манометром.
Загрузочная воронка, с бункером позволяя имитировать зарядку скважины взрывчатым веществом с различной скоростью, соответствующей ручной зарядке и производительности зарядных машин (100-350 кг/мин), а также забойку скважин низкоплотной многокомпонентной смесью. Была проведена серия экспериментов, имитирующих заряжание в сухую скважину и в предварительно осушенную с последующим
поступлением воды из массива. Пеногелевая забойка в первом эксперименте формировалась непосредственно на заряд ВВ, во втором на слой из бурового штыба, а в третьем из смеси, получаемой при одновременной подаче бурового штыба и пено-геля.
Эксперимент состоял в том, что в стеклянную трубу диаметром 220 мм и длиной 4 м засыпалось 42 кг УП-1, затем заливалась пеногелевая забойка, (рис.2а) фиксировалось время формирования забойки, наблюдались изменения в структуре пеногеля и заряда ВВ.
При проведении серия экспериментов в предварительно осушенную скважину, после формирования заряда ВВ и забойки идентично первой серии устанавливается режим притока воды в скважину от 25 до 1000 л/ч.
Критерием стойкости пено-геля принималось отношение разницы в потере высоты столба забойки к первоначальной его
Рис.1. Лабораторная установка: а) общий вид; б) схема, в т.ч.
1- сосуд-скважина; 2- загрузочная воронка; 3- слив; 4- отверстия; 5-конусные регуляторы; 6- сосуд-массив; 7- водопровод; 8- манометр; 9- воздухопровод; 10- слив
Геотехнология
55
а б в г
Рис. 2. Процесс формирования колонки заряда ВВ с пеногелевой забойкой в сухих скважинах через 12 ч: а) общий вид; б) пеногелъ на заряд ВВ; в) пеногелъ на слой бурового штыба; г) пеногелъ на его смесь с буровым штыбом; Нз- заряда ВВ; Нп- пеногеля; Нг- геля; Нш- бурового штыба; Ншв-влажного бурового штыба; Ншп- бурового штыба с пеногелем; Нвз- влажного заряда ВВ; Нзаб- забойки
препятствующую взаимодействию пеногеля с зарядом ВВ. Над пробкой из смеси бурового штыба с пеногелем высотой Ншп образуется слой хлопьеобразной пузырьковой массы высотой Нг, а под пробкой незначительный слой на глубине Нзв увлажненный аммиачной селитры (рис.2г).
На основании результатов экспериментов построены графики изменения колонки заряда с пеногелевой забойкой во времени, из которых видно, что прослойка из бурового штыба является надежным изолятором, препятствующим взаимодействию заряда с жидкой средой пеногеля (рис.3)
Вторая серия опытов с условиями формирования колонки заряда аналогичных третьему эксперименту первой серии была поставлена с имитацией притока воды от 25 до 1000 л/ч. Причем скважины перед формированием заряда предварительно осушались (рис.4).
Наблюдения за процессом взаимодействия заряда ВВ с водой, поступающей из массива, показали, что там, где вода проникает в колонку заряда ВВ, сначала происходит его намокание, а затем растворение аммиачной селитры, с образовани-
высоте со временем:
100 , % (1)
К — Нп ~ Нпг ^сп Нп
Нп ,Н
пр
- соответственно начальная и текущая высота пеногеля, м.
Анализ результатов сери экспериментов позволил установить, что при пеногелевой забойке непосредственно на заряд ВВ гигроскопичная аммиачная селитра практически сразу начинает увлажняться. Вдоль стенки скважины постепенно формируется проток. Над зарядом образуется слой пузырьковой хлопьеобразной массы высотой Нг. На контакте между зарядом ВВ и гелем стекло обмерзает, т.е. идет поглощение
тепла (рис.2б). В нижней части скважины скапливается слой рассола аммиачной селитры высотой. При формировании пеногелевой забойки Нп на слой из бурового штыба Нш -0,3 м происходит его намокание на глубину Ншв, над которым образуется слой хлопьевидной пузырьковой массы высотой Нг. Намокание заряда не наблюдается (рис.2в). Наиболее близкий к реальным условиям забойки вариант состоит в том, что в скважину поступает смесь буровой мелочи, смываемой пено-гелем от устья скважины. В этом случае смешанная с пено-гелем буровая мелочь оседает на столб ВВ, создавая пробку,
1Ь а) 1 Н,и б) [ Н,* , В)
4- 4- 4- —
3- Ч\, з- 3'
1 _ 2 2- 2 2
1 - 1 - Я 1 - 5 5
1 Г- 6 12 4 г I 16 12 4 “Т Г" 6 12 4
Рис.3. Изменения по высоте колонки заряда ВВ с пеногелевой забойкой во времени а) без буровой мелочи; б) с сухой буровой мелочью; в) смесь буровой мелочи с пеногелем: 1- общая высота колонки заряда ВВ с пеногелевой забойкой; 2- заряд ВВ; 3- глубина намокания буровой мелочи;4- глубина намокания заряда ВВ; 5- гель
а)
б)
в)
Рис.4. Характерный вид колонки скважинного заряда с пеногелевой забойкой осушенных скважин через 12 ч; Q- приток, в т.ч.: а) Q = 25 л/ч; б) Q = 500 л/ч; в) Q = 1000 л/ч; Hк- колонка заряда; Hп- пеногелъ; Hг- гелъ; Hшп- смесъ бурового штыба с пеногелем; Ш- заряд ВВ; Hвз- влажный заряд ВВ; ^-
аммиачная селитра в рассоле
а)
б)
в)
Рис. 5. Изменения во времени высоты колонки заряда ВВ с пеногелевой забойкой в осушенных скважинах с притоком воды: а) 25 л/ч; б) 500 л/ч; в) 1000 л/ч: 1- общая высота колонки заряда ВВ с пеногелевой забойкой; 2- высота заряда ВВ
ем раковин. Вдоль стенки скважины формируются следы сте-кания раствора в ее донную часть (рис. 4 а,б). Моделирование процесса формирования заряда показало, что с увеличением притока до 700-1000 л/ч воды в скважины заряд ВВ претерпевает качественные и количественные изменения (рис. 4 в). В итоге экспериментов получены данные, характеризующие стойкость пеногеля в колонке скважинного заряда, и пред-
ставленные на графиках (рис. 5) Из рис. 4 и 5 видно, что в зависимости от притока воды в скважины уплотнение и усадка заряда ВВ за 6 ч. срставляют от 6,99 до 31,9 %. Высота столба пеногелевой забойки меняется во времени независимо от притока воды в скважины. В течение первых 3 ч. стойкость пеногеля относительно высока, затем начинается процесс постепенного перехода пеногеля в хлопьеобразное состояние с
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
выделением влаги, которая скапливается высотой 0,3-0,5 м над пробкой из бурового штыба.
Выводы
1. Пеногелевая забойка обладает стойкостью к разрушению, допускающую ее использование как в сухих, так и в обводненных условиях с притоком до 25 л/ч, и столбом воды в пределах перебура в течение 6 ч.
2. В обводненных условиях с притоком до 500 л/ч и столбом воды в модели скважины от 3 до 5 м пеногелевая забойка, при условии предварительного осушения, не распадается на хлопья с выделением влаги до 6 ч. после формирования колонки скважинного заряд а.
3. Использование смеси пе-ногеля с буровой мелочью, образующей пробку над зарядом ВВ высотой не менее 0,3 м, предотвращает взаимодействие пеногеля с аммиачной селитрой и увеличивает стойкость пеногеля в течение 6 ч. с 51 до 83%.
1. Волобуев В.К., Белов В.И., Садовец Ю.А., Матренин В.А., Катанов И.Б., Смоляков В.С., Шаф И.Х., Манохина Е.И. Лабораторная установка для определения характеристик гидроизолированных зарядов взрывчатых веществ. A.с. 836995 с грифом «Публикация в открытой печати запрещена».
□ Автор статей:
Катанов Игорь Борисович
- канд. техн. наук, доц. каф. открытых горных работ
