CC BY
67
УДК 622.232
И.Б. Катанов
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОГЕЛЕВОЙ ЗАБОЙКИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН
Процессы, происходящие
при формировании заряда во взрывных скважинах, во время его детонации и воздействия продуктов взрыва на горный массив, не поддаются визуальному наблюдению. Следова-
эффекта забойки проводились с использованием неразрушаемой оболочки - мортиры по ГОСТ 7440-81 и видоизмененной пробы определения бризантности ВВ по ГОСТ 5984-80, в которой стальной диск заменен нако-
Таблица 1
Характеристика запирающих свойств материала забойки
Материал забойки Средняя величина обжатия свинцового цилиндра, АН, мм Среднее время задержки продуктов взрыва, и
Без забойки 23,6 0,8
Песок 24,2 1,18
Щебень 25,6 1,25
Вода 25,3 1,37
Пеногель кратности:
2,5-3,5 26,2 2,13
5,0-6,0 26,4 2,41
9,0-11,0 25,5 2,55
тельно, для максимально возможного учета основных и устранения влияния побочных эффектов при изучении влияния материала забойки на результат взрыва, необходимы лабораторные эксперименты.
В качестве низкоплотного забоечного материала исследовался пеногель кратностью
2__11.
Эксперименты проводились с целью изучения технологических характеристик пеногелевой забойки, в т.ч. ее запирающих свойств, способствующих
улучшению качества дробления и возможность поглощения пылегазовых продуктов взрыва. Сравнение проводилось с забойкой из щебня, песка, воды, а также при взрывании без забойки.
Исследования запирающего
вальней массой 26 кг. Критерием запирающего действия забойки продуктов взрыва была разница времени между срабатыванием заряда и раскрытием мортиры для газообразных продуктов детонации (табл.1).
Полученные данные свидетельствуют, о том, что при испытании по приведенной методике запирающее действие забойки из пеногеля кратностью 2,5-11,0 характеризуется задержкой вылета продуктов взрыва в 2 раза большей, чем забойки из песка и щебня при одинаковых их объемах.
Исследования по пылеподавляющим свойствам пеногелевой забойки проводились с определением остаточной запыленности воздуха во взрывной камере (штреке) с использованием канальной мортиры по
ГОСТ 7140-81. В качестве забоечного материала проверялись вода и пеногель кратностью 2,011,0. Проведено две серии экспериментов, в т.ч.:
- при равных объемах пеногелевой и водной забойки (150; 200 и 300 см3);
- при равных массах пеногелевой и водной забойки (150; 200 и 300 г).
Из анализа полученных результатов представленных на графиках (рис.1) видно, что применение в качестве забойки воды в объеме 150, 200, 300 см3 позволяет снизить запыленность воздуха соответственно на 50, 60, 75% (кривые 2, 4, 6). Пеногелевая забойка кратностью 2,53,5 в таких же объемах позволяет снизить запыленность соответственно на 47, 63 и 71% (кривая 1). В том случае, когда
Рис.1. Зависимость остаточной запыленности в камере от объема и кратности пеногеля: 1- пеногель Кп=2-3; 2, 4, 6- вода (при равном пеногелю объеме); 3- пеногель Кп=2-3 (по массе); 5- пеногель Кп=5-6 (по объему); 7- пеногель Кп=5-6 (по массе); 8- пеногель Кп=9-10 (по объему)
Таблица 2
Данные химического анализа
Материал забойки Средние значения содержания газов, л/кг
СО2 СО X О £ Усл., СО
1. Без забойки 168,4 2,8 2,6 19,7
2. Пеногель кратностью, Кп: 2,5-3,5 107,6 19,5 1,6 29,9
5,0-6,0 104,3 17,8 1,4 27,4
9,0-11,0 105,8 17,3 1,3 27,5
3. Вода 49,5 16,9 1,9 29,2
масса водной и пеногелевой забойки были одинаковыми, установлено явное преимущество пеногеля (кривые 3, 7).
Испытания забоечного материала из пеногеля на способность поглощения вредных газов взрыва проводились на установке, состоящей из герметичной взрывной камеры объемом 7 м3, которая оснащена электродами для инициирования электродетонатора, штуцером для отбора проб газа и системой проветривания.
Сравнение поглощающей способности газов забойкой из пеногелей производилось по отношению к взрыванию заряда без забойки (табл. 2).
В результате экспериментов получено снижение содержания оксидов азота (в сумме) примерно на 40 %, но увеличение в несколько раз содержания окиси углерода. Последнее
можно объяснить тем, что в условиях эксперимента компоненты аммонита № 6 ЖВ не полностью реагируют при разлете продуктов детонации. Пеногель, используемый в качестве забойки, охлаждает газы взрыва и тормозит вторичные реакции. Поэтому наблюдается повышение содержания окиси углерода и снижение диоксида углерода. Использование воды в качестве забойки также как и пеногель приводит к существенному увеличению содержания оксида и диоксида углерода в газах взрыва. В реальных условиях, когда масса заряда ВВ в скважине составляет сотни килограмм, вторичные реакции будут проходить в объеме, близком к занимаемому ВВ, поэтому не сле-
дует ожидать роста выделения оксида углерода. По отношению же к оксидам азота (как наиболее вредной составляющей взрыва) можно полагать, что пеногель будет снижать их содержание на величину, полученную при проведении экспериментов.
Сравнение относительной эффективности по величине обжатия свинцового цилиндра, задержке выброса забойки и остаточной величине N0х проведено по показателю, характеризующему изменения ее свойств в сравнении со взрывами без забойки
Т= [ х]бз — х]пг ] / х]бз , (1)
где Т - относительная эффективность у-ой характеристики, доли ед.; Хубз , х]пг - значение ]-ой характеристики соответственно при взрывании без забойки и с пеногелевой забойкой. При оценке эффективности пы-леподавления забойки в зависимости от кратности пеногеля в пределах изменения его от объема по отношению к запыленности воздуха в камере при экспериментах без забойки х]пг определялась как средняя остаточная запыленность при взрывании с пеногелевой забойкой Iой кратности г/м3 в интервале изменения объема. На основании определения показателей относительной эффективности пеногелевой забойки построены графики (рис.2 ).
Наиболее значимой характеристикой из рассматриваемых является время задержки выброса забойки (кривая 2), видно, что увеличение кратности пено-
геля в три раза повышает запирающие свойства на 16 %. Наименее значимо изменение кратности пеногеля влияет на величину обжатия свинцового цилиндра (кривая 1).
Результирующий показатель относительной эффективности пеногелевой забойки (кривая 5) изменяется в пределах 10-13%, имея экстремум при кратности 5-6.
Таким образом, при проведении дальнейших экспериментов использовалась пеногелевая забойка с оптимальной кратностью.
Исследование параметров взрывного разрушения массива требует высокой сопоставимости условий эксперимента и устранения максимально возможного влияния побочных факторов. Практика показывает, что породные массивы обычно имеют различные характеристики дробимости при взрыве. Наиболее изменчивыми из них являются трещиноватость и
Г|з, доли ед.
Рис.2. Изменение относительной эффективности пеногелевой забойки в зависимости от кратности по основным характеристикам: 1- величине обжатия; 2- времени задержки; 3- остаточной запыленности; 4- остаточному содержанию ИОх; 5- общая эффективность
прочностные свойства пород.
Для достижения идентичности условий эксперимента при определении характера разрушения трещиноватых пород взрывом было проведено моделирование этого процесса в лабораторных условиях с использованием эквивалентных материалов. Условия подобия материала модели, имитирующего горный массив по прочностным свойствам, сводятся к тому, чтобы диаграмма прочности модели была подобна соответствующей диаграмме натуры [1, 2].
Песчано-цементная смесь, состоящая из портландцемента марки 400, воды и песка в весовом соотношении 1:2:7, позволила получить эквивалентный материал с прочностной характеристикой [Ссжм] =2 МПа.
Тогда на основании СТсжм /
&сжн =2/60 = ^М&сж масштаб моделирования структурно -прочностных характеристик определился равным 1:30.
В качестве ВВ заряда моделей был принят ТЭН с температурой взрыва 5,880 кДж/кг при плотности 1,39-103 кг/м3 , инициируемый капелькой азида свинца, нанесенного на стандартный мостик накаливания.
Заряд моделей являлся эквивалентом наиболее распространенным на угольных разрезах Кузбасса простейшим промышленным ВВ типа игданит,
Таблица 3
Средний выход дробленого материала, (г %)
Размер ребра элемента модели, мм Материал забойки Размер фракций, х; , мм Общий выход, Р г Ід,1 Увеличение объема дробления, % Средний диаметр куска, dср, мм
1-3 3-5 5-1G 1G-2G 2G-39 39-71 71-117
27,7 песок 144/ 3,1 13G/2 ,8 214/ 4,6 325/ 7,0 3506/ 15,4 4650 25 23,8
пеногель 191/ 3,3 215/ 3,7 296/ 5,1 412/ 7,1 4309/ 74,3 5800 23,6
50 песок 212/ 2,8 119/ 1,6 275/ 3,7 350/ 4,7 596/ 8,0 5468/ 73,4 7450 21 38,0
пеногель 225/ 2,5 243/ 2,7 342/ 3,8 387/ 4,3 784/ 8,7 6580/ 73,0 9014 37,9
3,3 песок 187/ 1,9 138/ 1,4 255/ 2,6 442/ 4,5 609/ 6,2 1592 16,2 6210/ 63,2 9827 17 69,8
пеногель 209/ 1,8 174/ 1,5 336/ 2,9 557/ 4,8 788/ 6,8 2192/ 18,9 6783/ 58,5 11596 66,9
В-В
556
.А
Рис. 3. Схема модели в оболочке: 1- песчано-цементная оболочка; 2- песчано-цементная модель; 3- шпур
гранулит УП-1, гранулит НК, имеющих температуру взрыва 3,845 кДж/кг при гравиметрической плотности 0,9-103 кг/м3.
Моделирование горного массива с учетом структурных особенностей (категории по блочности) в выбранном масштабе М=1:30 заключалось в формировании моделей с размерами 250x250x250 мм из це-ментно-песчанных кубиков с ребром 27,7; 50,0 и 83,3 мм , соответствующих средним диаметрам естественных отдельностей 0,8; 1,5 и 2,5 м.
По теории подобия и размерностей при моделировании действия взрыва в среде должны соблюдаться граничные условия. С этой целью модели предусматривалось устанавливать в специальной цементнопесчаной оболочке размером 556x556x355 мм, изготовленной из того же состава, что и элементы модели (рис.3).
Для достоверности результатов подготовлено 18 моделей, т.е. по 6 в каждой серии, соответствующей определенной категории пород по блочности. Из каждой серии в трех моделях формировался заряд ВВ с твердой забойкой, а в других трех - с заполнением незаряженной части шпура низкоплотным материалом кратностью 5-6, выполняющим роль забойки.
Раздробленный взрывом материал модели предусматривалось рассортировать по классам крупности: 1; 1-3; 3-5; 5-10; 10-20 и больше 20 мм. Фракции более 20 мм отбирались и сортировались с помощью шаблонов, а мелкие, менее 20 мм отбирались методом ситового
анализа. Диаметры фракций ±39, ±71 и ±117 мм принимались в соответствии с размером диагоналей кубиков (табл.3).
В качестве критерия куско-ватости при оценке дробления
а)
Р„ %
%■
70
50
30-
б)
Рі, %
/ 90- / 90-
70- 70-
: 50- 50-
■ Р' 30- к 30-
10- 10-
20 40 X;, мм
20 40
1-----------1-----------Г
60 80 Х-„ мм
60 Х„ мм
Рис.4. Кумулятивные кривые фракционного состава дробленого продукта в моделях: а- 1р= 27,7 мм; б- 1р= 50 мм; в- 1р= 83,3 мм; 1с твердой забойкой; 2- с забойкой из низкоплотных материалов.
принимались выход дробленого продукта фракции и диаметр среднего куска [3], определяемый из
п
^ =Ехр > (2)
і =1
где Хі - среднее арифметиче-
ское границ і-ой фракции, мм; Рі - содержание і-ой фракции, доли ед.; п- число фракций.
Анализ результатов экспериментов по разрушению моделей из эквивалентного материала взрывом в зависимости от материала забойки позволил установить, что выход дробленого продукта при взрывании с использованием в конструкции заряда низкоплотных материалов на 17-25% больше, чем с твердой забойкой. Наибольшее увеличение значений соответствует моделям, имитирующим мелкоблочный массив. В то же время общий выход дробленого продукта с увеличением трещиноватости модели снижается .
Анализ фракционного состава показывает, что равномерность дробления моделей с пеногелевой забойкой лучше,
чем с твердой. Это подтверждается тем, что при взрывании всех трех типоразмеров моделей с пеногелевой забойкой выход дробленого продукта
крупных фракций уменьшается на 7,8 %. Доля выхода мелких фракций до 0,5 мм, с увеличением трещиноватости - увеличивается почти в 1,7 раза, независимо от вида забойки, в тоже время в моделях одного типоразмера долевой выход пыли при твердой забойке на 5-16% больше, чем с пеногелевой. Расчет диаметра среднего куска при взрывах с низкоплотной забойкой показывает, его снижение на 4,1 % по сравнению с моделями, имеющими твердую забойку, что говорит о некотором улучшении качества дробления. На основании анализа выхода дробленого материала построены кумулятивные кривые фракционного состава из
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
взорванных моделей (рис. 4), которые показывают, что с увеличением трещиноватости модели материал забойки меньше влияет на качество дробления.
Результаты измерения амплитуды импульса и скорости продольной волны представлены на рис. 5. Анализ графиков показывает, что радиальные напряжения на относительном
расстоянии 36 г0 , выраженном
в радиусах заряда, в зависимости от размера ребра модели увеличиваются практически прямо пропорционально, однако пеногелевая забойка увеличивает напряжения на 5-8 % по сравнению с твердой забойкой.
Аналогичный характер имеет и изменение скорости про-
дольной волны, которая от материала забойки явно не зависит.
Отсюда следует, что улучшение дробления моделей зарядами с забойкой из низкоплотных материалов при одинаковой величине взрывного импульса объясняется продолжительностью действия продуктов взрыва за счет перераспределения его энергии.
Рис. 5. Изменение амплитуды импульса напряжений (1- с твердой забойкой; 2- с пеногелевой забойкой) и скорости продольной волны (3) в зависимости от размера ребра элемента модели: и- с
твердой забойкой; •- с забойкой из низкоплотных материалов
1. Мельников Н.В., Марченко Л.Н. Энергия взрыва и конструкция заряда. М., Недра, 1964. -132 с.
2. Петров Н.Г., Мальцев С.П Исследования параметров буровзрывных работ на моделях из эквивалентных материалов для условий Читаурского месторождения марганца. В сб. Взрывное дело № 67/24, М., Недра 1969, с. 77-82.
3.Барон Л.И., Личели Г.П. Трещиноватость горных пород при взрывной отбойке. -М.:Недра, 1966.
