CC BY
351
© В.А. Белин, М.Г. Горбонос, С.К. Мангуш, Б.В. Эквист, 2015
УДК 622.35
В.А. Бенин, М.Г. Горбонос, С.К. Мангуш, Б.В. Эквист НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
Представлен анализ применения современных средств инициирования. В частности рассматриваются перспектива применения электродетонаторов с электронной системой замедления как наиболее современного и высокоточного средства инициирования.
Ключевые слова: взрывные работы, системы инициирования, ЭДЭЗ, ко-роткозамедленное взрывание, современные средства инициирования, сейсмика.
В последнее время метод короткозамедленного взрывания получил широкое распространение на практике, т. к. при его использовании улучшается качество дробления горной массы, уменьшается площадь развала взорванной горной массы и снижается сейсмическое воздействие на окружающую среду [1].
Взрывные работы, проводимые в промышленных масштабах на горных предприятиях и в строительстве, вызывают негативное воздействие на окружающую среду. В настоящее время обеспечение экологической безопасности при разумном промышленном развитии имеет первостепенное значение, а культура взрывания предполагает уменьшение вредного воздействия последствий взрыва [2].
Вредному воздействию подвергается как инфраструктура действующего предприятия, так и находящиеся поблизости жилые дома, производственные и социальные объекты самого различного назначения [3].
Для уменьшения сейсмического воздействия в последнее время применяют элементы инициирования, способные изменять замедление между взрывами в широких пределах. Это системы Неэлектрического инициирования взрыва (НСИ), электрические детонаторы с электронным замедлением (ЭДЭЗ), а также их зарубежные аналоги, имеющие широкие возможности по изменению интервалов замедлений между взрывами групп зарядов.
Принципиальное отличие этих систем состоит в том. что поверхностная сеть полностью срабатывает за время 60—80 мс, а в скважинные детонаторы за это время только поступил взрывной импульс и в них происходит в этот момент сгорание замедляющего состава, который вызовет инициирование КД и заряда ВВ через 400—500 мс. Это позволяет повысить и практически исключить отказы зарядов из-за обрывов подводящих участков взрывной магистрали в скважинах (подбой скважин).
По результатам проведенных нами испытаний, проведенных в различных горно-геологических условиях, было установлено, что современные средства инициирования с пиротехническими замедлителями имеют внушительную разницу между номинальным и фактическим временами срабатывания.
В результате этого ухудшается качество взрыва, и взрыв происходит с отклонением от расчетных параметров. Также зачастую имеют место значительные превышения сейсмического сигнала, в виду наложения взрывов двух и более зарядов. Все это, несомненно, сказывается на качестве дробления горной массы и приводит к увеличению выхода негабарита, плохой проработке подошвы уступа и повышенному радиусу разлета кусков взорванной горной массы.
Применяемые сегодня на горных предприятиях системы инициирования имеют существенные недостатки:
• отсутствует возможность инструментальной проверки элементов и смонтированной взрывной сети непосредственно на месте взрывных работ;
• системы чувствительны к влаге;
• ограничен срок хранения элементов системы инициирования;
• возможность повреждения трубки-волновода при опускании боевика в скважину, заряжании и забойке скважинных зарядов, что может привести к отказу заряда;
• большое число промежуточных КД в соединительных блоках снижает надежность системы, поскольку увеличивает число ее элементов;
• наличие дополнительных (промежуточных) КД удорожает неэлектрическую систему инициировании по сравнению с электровзрывной сетью;
• не высокая точность срабатывания элементов системы.
В течение 2011—2014 гг. нами проводились многочисленные испытания внутрискважинных и поверхностных капсюлей-детонаторов неэлектрических систем инициирования зарядов. Испытания проводились согласно разработанной методике испытаний неэлектрических систем инициирования с использованием современной измерительной техникой.
Измерительным оборудованием является прибор Instantel MiniMate Plus, производство Канада. Этот прибор регистрирует сейсмические колебания в трех плоскостях и величину давления фронта ударно-воздушной волны.
Испытания проводились в разных температурных условиях, что позволило сделать выводы о влиянии температуры окружающей среды на изменения времени срабатывания замедляющих составов, обеспечивающих замедление капсюлей-детонаторов.
На рис. 1 представлена диаграмма, отображающая разницу между максимальными и минимальными зафиксированными значениями фактического времени срабатывания внутрисква-жинных капсюлей-детонаторов, и их зависимость от температуры окружающей среды. Отчетливо видно, что отрицательная температура увеличивает эту разницу, особенно капсюлей-детонаторов с номинальным временем замедления 1000 мс.
Рис. 1. Разница между максимальными н минимальными значениями фактического времени срабатывания внутрискважинных капсюлей-детонаторов
В случае, когда разница между временем срабатывания соседних скважин становится больше времени срабатывания поверхностного соединительного блока (поверхностного капсюля-детонатора), происходит нарушение порядка инициирования скважин в блоке. Это влечет за собой негативные последствия, а именно:
— разрушение колонки заряда до его инициирования, и соответственно отказ этого заряда;
— повреждение поверхностной сети, и соответственно, множественные отказы;
— появление негабаритных кусков взорванной горной массы;
— отсутствие контроля направления развала взорванной горной массы;
— увеличение радиуса зоны разлета осколков.
Из диаграммы (рис. 1) следует, что для внутрискважин-ных капсюлей-детонаторов с номинальным временем замедления 475 и 500 мс применение поверхностных блоков замедления номиналом 17 и 25 мс исключено (разница между временем срабатывания соседних скважин становится больше времени срабатывания поверхностного соединительного блока).
31,1 1 25,Э 42
15,6
0-0,5 года 0,5-1 года 500 срок хр 0-0,5 года 0,5-1 года 1000 анения
Рис. 2. Влияние времени хранения на разницу между максимальными н минимальными значениями фактического времени срабатывания капсюлей-детонаторов
Вышеописанное исключение из оборота поверхностных блоков замедления 42 и 67 мс неудобно, а часто и невозможно. Решением проблемы в таком случае может стать оборудование отапливаемых складов для хранения систем инициирования. На приведенном графике (рис. 2) заметно увеличение разницы между максимальным и минимальным значением фактического времени срабатывания внутрискважинных капсюлей-детонаторов номиналом 500 и 1000 мс при увеличении времени хранения на неотапливаемых складах. Испытания проводились при температуре окружающей среды -7 °С. На графиках видно увеличение разницы почти в два раза, как для капсюлей номиналом 500 мс, так и для капсюлей номиналом 1000 мс.
Результаты полигонных испытаний по определению фактического времени срабатывания капсюлей-детонаторов представлены на графиках:
Рис. 3. Результаты замеров фактического времени срабатывания внутрискважинных детонаторов НСИ с номиналом 475 мс
Таблица 1
Сводная таблица результатов измерений
Номинальное значение 17 25 42 67 109 475 500 1000
Минимальное значение 18,0 26,0 45,6 72,9 113,6 490,6 527,2 1079,5
Максимальное значение 26,5 32,7 56,3 82,4 126,9 532,3 552,9 1191,4
Окончание табл. 1
Номинальное значение 17 25 42 67 109 475 500 1000
Среднее значение 22,6 29,6 51,4 76,1 119,7 510,7 539,0 1105,3
Разница между мин и макс 8,5 6,8 10,8 9,5 13,3 41,7 25,7 111,9
1
550 540 530 520 510 500 490 480 470 ■ 1 ■_
1 1 i 1 I
□ 1_1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Номинальное время срабатывания ■ Фактическое время страбатывания
Рис. 4. Результаты замеров фактического времени срабатывания внутрискважинных детонаторов НСИ с номиналом 500 мс
1250 1200
1150---
1100 -
Ш
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 ■ Номинальное время срабатывания ■ Фактическое время страбатывания
Рис. 5. Результаты замеров фактического времени срабатывания внутрискважинных детонаторов НСИ с номиналом 1000 мс
Рис. 6. Результаты замеров фактического времени срабатывания поверхностных детонаторов НСИ
Известно, что в России налажена сборка зарубежных НСИ «Нонель» из шведских компонентов и системы «Примадет» из элементов, поставляемых из Испании и др. Однако и эти системы неэлектрического инициирования имеют существенный недостаток — отсутствие приборного контроля правильности монтажа взрывной сети.
При большом разбросе времени срабатывания скважинных детонаторов для достижения минимального сейсмического воздействия массового взрыва надо выбирать интервалы замедления в скважинных детонаторах больше времени разброса их срабатывания.
Необходимо отметить, высокое качество разработанной в нашей стране и выпускаемой на ФГУП Новосибирский механический завод «Искра» НСИ СИНВ (Искра).
Отечественная НСИ имеет следующие достоинства: — высокий уровень управляемости массовыми взрывами, достигаемый за счет использования индивидуального замедления взрывания каждого скважинного или шпурового заряда и широкого выбора времен замедления;
— исключение подбоя взрывной сети и возможность оптимизации поверхностных замедлений благодаря применению большого по интервалу внутрискважинного замедления;
— эффективное использование «донного» инициирования скважинных зарядов, в том числе высокочувствительных, так как проводник сигнала, используемый в системе ударно-волновых трубок (УБТ), не имеет бокового энерговыделения и не оказывает отрицательного воздействия на окружающий его скважинный заряд;
— исключение возможности «обратного» инициирования, то есть передачи инициирующего сигнала во взрывную сеть при несанкционированном взрыве скважинного заряда;
— высокая стойкость к механическим воздействиям, обеспечиваемая исключением из состава элементов системы первичных инициирующих взрывчатых веществ;
— нечувствительность к электрическим и электромагнитным воздействиям;
— низкий звуковой эффект, обусловленный незначительной массой взрывчатого материала в УВТ и разновременностью срабатывания скважинных или шпуровых зарядов.
В целом система «Искра» обеспечивает существенное повышение эффективности и безопасности взрывных работ.
По результатам испытаний скважинных и поверхностных детонаторов различных фирм, проведенных различными авторами, можно заключить, что отклонения изменяются от партии к партии детонаторов и для замедления 500 мс могут составлять до +4 % (20 мс), для Primadet МБ-20 до +3,2 % (16 мс), для Иопе1 и475 до +5,6 % (28 мс). Аналогично для других значений замедлений, что может быть больше величин, приводимых в инструкциях. Ежегодно выявляется не менее 10 случаев поставок взрывчатых материалов с нарушениями установленных требований технических условий.
Точность срабатывания замедлителей зависит от многих факторов: культуры технологического процесса изготовления, однородности и чистоты замедляющего состава, условий транспортирования и хранения детонаторов и т.д. На предприятиях взрывники не знают реальных отклонений времени замедления в элементах взрывной сети, что влечет за собой ошибки в расчетах схем взрывания.
Из приведенных данных видно что, если интервал замедления между скважинными зарядами (соседними в ряду или по диагонали) будет меньше указанных отклонений по точности срабатывания замедлителей, особенно скважинных, то они взорвутся одновременно, а вероятность такого одновременного взрыва нескольких скважин фактически не предсказуема, т.к. ни производители, ни, тем более, потребители, не знают фактических (точных) интервалов замедлений в элементах систем. Проведенные измерения показали, что при рекомендованных производителем замедлителях 42 и 67 мс замедления по диагонали составляют 25 мс, т.е. имеет место одновременный взрыв до восьми и более скважинных зарядов вместо двух, трех.
Серьезным достижением производителей средств инициирования является разработка и постановка на промышленное производство электрических детонаторов с электронным замедлением (ЭДЭЗ)
Принцип действия ЭДЭЗ состоит в следующем: каждый детонатор имеет свой номер, обозначенный штрих кодом. В процессе монтажа ЭДЭЗ он считывается сканером и заносится в память компьютера. Детонаторы подключаются к магистральным проводам параллельно друг друга. Они монтируются в соединительный блок, находящийся у устья скважины. Волноводы системы неэлектрического взрывания с нулевым замедлением или ДШ вставляются в имеющиеся отверстия в соединительном блоке и подключаются к шашке промежуточного детонатора, расположенного в заряде. Возможен вариант установки ЭДЭЗ в отверстие шашки промежуточного детонатора, с последующим размещением его в заряде.
Рис. 7. Конструктивное оформление электрического детонатора с электронным замедлением (ЭДЭЗ)
Размеры детонатора (ЭДЭЗ) такие же, как и у электрического детонатора (ЭД) (рис. 7).
На плате размещаются микросхемы и конденсаторы: разделительный и накопительный емкостью 10 мкФ. При подключении собранной взрывной сети к ноутбуку по установленной программе все ЭДЭЗ проходят проверку соответствия их номера по штрих коду, номеру, заложенному в программу взрыва и установкой выбранного времени замедления. Возможна реализация любых схем замедлений с точностью 1 мс. После контроля собранной взрывной сети по программе с ноутбука и ее соответствия расчетным параметрам, взрывная линия переключается на адаптер взрывной линии (АВЁ). С него осуществляется заряжание всех накопительных конденсаторов детонаторов до напряжения 6-12 вольт. После этого выдается команда на взрыв и накопительные конденсаторы, в соответствии с установленными с помощью микросхем замедлениями, разряжаются через мостик накаливания. Происходит инициирование взрывчатого вещества детонатора - осуществляется взрыв.
Испытания ЭДЭЗ проводились на Олимпиадинском ГОКе, карьере «Восточный», предприятия ЗАО «Полюс», и др.
Работоспособность электрических детонаторов с электронным замедлением производства Федерального государственного унитарного предприятия Новосибирский механический завод «Искра» оценивалась испытанием на полигоне в количестве 30 шт., которые показали их работоспособность и взрывами на карьере при участии специалистов завода «Искра». Сейсмическое воздействие оценивалось регистрацией массовой скорости колебаний массива горной породы с помощью сейсмического регистратора «Дельта-Геон-02», имеющего сертификат Госстандарта. Качество взрыва проверялось визуальной оценкой.
Оценивалось сейсмическое воздействие от взрыва двух похожих блоков, расположенных на одном горизонте на расстоянии 200 м друг от друга, слагаемых одинаковыми породами.
Места установки сейсмодатчиков находились рядом с исследуемыми блоками. Так, при взрыве блока с использованием системы неэлектрического взрывания (СИНВ), сейсмодатчики
находились рядом с блоком, который взрывался с помощью электрических детонаторов с электронным замедлением, а при взрыве блока с использованием ЭДЭЗ сейсмодатчики находились рядом с блоком, взорванным с помощью СИНВ. Таким образом, сейсмическая волна проходила по одним и тем же породам при обоих взрывах.
Сейсмограмма взрыва с применением системы неэлектрического взрывания представлена на рис. 8.
Сейсмический импульс от
0 0,5 1,0 1,5 2,0 Время , с
Рис. 8. Сейсмограмма взрыва с применением системы неэлектрического взрывания
Зарегистрированные значения массовой скорости колебаний почвы по трем осям, соответствующие взрыву одиночного заряда равнялись Ц = 1,2 см/с, Ц = 1,5 см/с, V = 2,5 см/с. Результирующая скорость V = 3,1 см/с. Скорость от взрыва двух зарядов по трем осям соответствовала V = 1,6 см/с, Ц = = 2,0 см/с, V = 4,0 см/с. Результирующая скорость V = 4,7 см/с.
Имел место одновременный взрыв большего количества зарядов, чем два. На сейсмограмме отмечены эти места.
При использовании ЭДЭЗ взрывание проводилось в тех же породах, с коэффициентом крепости 8-9, что и взрыв с НСИ Применялась врубовая схема взрывания.
Взрыв производился по одному скважинному заряду массой 400 кг, расположенному в скважинах тех же размерах и с той же сеткой расположения, что и при использовании НСИ.
Применялись замедления 67, 42 и 25 мс. Взрывчатое вещество - эмульсолит патронированный А-20. У устья скважины размещался ЭДЭЗ, который инициировал детонирующий шнур (ДШ) с промежуточным детонатором, состоящим из двух шашек Т-400Г, помещенный на 2 метра выше дна скважины. ЭДЭЗ монтировались проводами в общую электрическую сеть параллельно друг другу.
Тестирование сети и взрывание зарядов проводилось из укрытия с помощью ноутбука и адаптера взрывной линии (АВЁ). На расстоянии 200 м от взрыва по трем осям фиксировалась массовая скорость колебания почвы. Сейсмограмма взрыва представлена на рис. 9.
Скорость от взрыва одного скважинного заряда по осям х и у составила 2 см/с, по оси г 1 см/с. Результирующая скорость составила V = 3 см/с.
Взрывов большего количества зарядов, чем один не происходило. Наблюдалось сближение по времени взрывов одиночных зарядов, что вытекает из расчетной схемы инициирования.
По визуальной оценке результатов взрыва, можно сказать о хорошем качестве дробления горной породы и равномерном ее развале после взрыва с использованием в качестве средств взрывания ЭДЭЗ (рис. 10, 11).
0 0,5 1 Время , с
Рис. 9. Сейсмограмма взрыва с применением ЭДЭЗ
Рис. 10. Результат взрыва с Рис. 11. Результат взрыва с помо-помошью зарядов, иниции- шью зарядов, инициированных с рованных с помошью СИНВ помошью ЭДЭЗ
Следует отметить, что общий уровень сейсмического воздействия от взрывов скважинных зарядов с использованием электрических детонаторов с электронной задержкой ниже в 1,6 раза по сравнению с уровнем сейсмического воздействия от взрывов скважинных зарядов с использованием системы неэлектрического взрывания. Точность выполнения интервалов замедлений у ЭДЭЗ составляет по данным завода-изготовителя
«Искра» - 1 мс, что выше, чем у СИНВ (Искра), поэтому одновременного взрыва большего количества зарядов, чем расчетный взрыв одного заряда не происходило. В то время как при использовании СИНВ наблюдались одновременные взрывы большего количества зарядов, чем расчетный одновременный взрыв двух зарядов. Качество дробления горной массы при применении ЭДЭЗ лучше, чем с использованием СИНВ.
Основные выводы и рекомендации
1. Отечественная НСИ «Искра» существенно повысила эффективность и безопасность взрывных работ и имеет следующие основные достоинства:
— высокий уровень управляемости массовыми взрывами, достигаемый за счет использования индивидуального замедления взрывания каждого скважинного или шпурового заряда и широкого выбора времен замедления;
— исключение подбоя взрывной сети и возможность оптимизации поверхностных замедлений благодаря применению большого по интервалу внутрискважинного замедления;
2. При применении НСИ установлены факты увеличения сейсмического воздействия массового взрыва на окружающую среду из-за одновременного взрывания большего количества зарядов, чем расчетное число. Это происходит из-за того, что интервал замедления между скважинными зарядами выбран меньше отклонений по точности срабатывания замедлений (особенно скважинных). При увеличении общего числа сква-жинных зарядов вероятность взрывания большего, чем расчетное число зарядов возрастает.
3. При проектировании взрывной сети в сложных горногеологических условиях необходимо стремится к большим интервалам замедлений или уменьшать удельную массу зарядов, у которых замедление между взрывами минимально.
4. Применение электрических детонаторов с электронным замедлением ЭДЭЗ существенно повышает точность срабатывания системы инициирования и повышает эффективность и безопасность взрывных работ. Данная система позволяет добиться существенной экономии на обогащении полезных ископаемых вследствие более качественного дробления, меньшего выхода негабарита. Также используя данные детонаторы, не происходит наложений взрыва скважин, что приводит к значительным улучшениям показателей по сейсмической составляющей
в зоне воздействия взрыва. Данная система имеет современное программное обеспечение, что позволяет исключить ряд ошибок при задании времени замедления на детонаторах, а также полностью контролировать процесс проведения взрывных работ.
Измерениями сейсмического воздействия установлено, что превышений значений массовых скоростей от расчетных значений не наблюдалось.
5. Для снижения сейсмической нагрузки на охраняемые объекты (борта карьера) нецелесообразно увеличивать общее время массового взрыва, которое напрямую зависит от точности выполнения времени замедления в детонаторах. Поэтому взрывы зарядов смежных групп необходимо разделять минимально возможным временным промежутком, однако, не допускающим их одновременного взрывания.
6. Следует отметить, что подготовка и проведение взрыва с использование электронных детонаторов требует квалифицированных исполнителей - инженеров, прошедших соответствующее обучение.
7. Стоимость средств инициирования не превышает нескольких процентов от стоимости взрываемых зарядов ВВ, а их надежность и точность срабатывания обеспечивает получение заданных результатов взрыва.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анисимов В.Н., Бенин В.А., Брагин П.А. Сейсмозащитные мероприятия при проведении крупномасштабных массовых взрывов вблизи охраняемых объектов на железорудных карьерах КМА. В сб. Научных трудов Горного информационно- аналитического бюллетеня - 2007. М.:Издательство « Мир горной книги» С. 254-260.
2. Технология взрывных работ: Учебное пособие. В.Г. Мартынов, В.И. Комащенко, В.А. Белин, Т.Т. Исмаилов. — М.:Студент, 2011. — 439 с.
3. Кутузов Б.Н., Белин В.А. Проектирование и организация взрывных работ. Учебник. — М.: Горная книга, 2012. — 416 с. ШИЛ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Белин Владимир Арнольдович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,
Горбонос Михаил Григорьевич — кандидат технических наук, доцент, Мангуш Сергей Кириллович — доктор технических наук, профессор, Эквист Борис Владимирович — доктор технических наук, доцент, Горный институт НИТУ «МИСиС».
UDC 622.35
NEW TECHNOLOGIES OF CONDUCTING EXPLOSIVE WORKS
Belin V.A.1, Doctor of Science (Engineering), Professor,
Gorbonos M.G. 1, Candidate of Science (Engineering), Assistant Professor,
Mangush S.K. 1, Doctor of Science (Engineering), Professor,
Jekvist B.V. 1, Doctor of Science (Engineering), Assistant Professor,
1Mining Institute, National University of Science and Technology "MISIS", Moscow, Russia.
In this work the analysis of application of modern means of initiation is submitted. In particular are considered prospect of application of electrodetonators with electronic system of delay as most modern and high-precision means of initiation.
Key words: explosive works, systems of initiation, EDEZ, korotkozamedlenny detonation, modern means of initiation, seismicity.
REFERENCES
1. Anisimov V.N., Belin V.A., Bragin P.A. Sejsmozashhitnye meroprijatija pri prove-denii krupnomasshtabnyh massovyh vzryvov vblizi ohranjaemyh ob'ektov na zhelezorudnyh karerah KMA (Seismic protection measures when conducting large-scale mass explosions near protected sites for iron ore mines KMA). V sb. Nauchnyh trudov Gornogo informa-cionno- analiticheskogo bjulletenja, 2007, Moscow, Izdatel'stvo «Mir gornoj knigi», pp. 254-
2. Martynov V.G., Komashhenko V.I., Belin V.A., Ismailov T.T. Tehnologija vzryvnyh rabot (Technology of blasting). Uchebnoe posobie, Moscow, Student, 2011, 439 p.
3. Kutuzov B.N., Belin V.A. Proektirovanie i organizacija vzryvnyh rabot (The design and arrangement of blasting). Uchebnik, Moscow, izdatel'stvo «Gornaja kniga», 2012, 416 p.
260.
