CC BY
56
- © Е.Б. Шевкун, A.B. Лешинский, A.A. Галимьянов,
К.А. Рудницкий, 2014
УДК 622.235
Е.Б. Шевкун, А.В. Лешинский, А.А. Галимьянов, К.А. Рудницкий
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ КОМБИНИРОВАННЫХ ЗАБОЕК ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН
Проведены обширные экспериментальные исследования различных ти-пов забоек взрывных скважин. Подтверждено более высокое качество за-пирания продуктов взрыва комбинированной забойкой с закладным эле-ментом в сравнении с засыпной забойкой. Определена методика проведе-ния дальнейших исследований. Ключевые слова: взрывное рыхление пород, забойка взрывных сква-жин, запирание продуктов детонации.
Обширными экспериментальными исследованиями различных авторов доказано, что качественная забойка играет существенную роль в работе взрыва: обеспечивает полноту детонации смесевых взрывчатых веществ (ВВ), увеличивает продолжительность импульса взрыва, а также исключает опасный разброс кусков породы из устьев скважин. Установлено [1], что наиболее эффективно запирает продукты детонации в зарядной полости забойка из сыпучих материалов, которые в начальный момент взрыва заряда ВВ
уплотняются в нижней части забойки, создавая своеобразную пробку, сопротивляющуюся давлению газообразных продуктов взрыва. Если длина засыпной забойки недостаточна, пробка срезается и затем материал забойки выбрасывается из скважины, поэтому многие исследователи высказывают мнение о том, что засыпные забойки должны иметь длину от 14 до 28 диаметров скважины. В то же время воздушный промежуток в 5-7 диаметров заряда под забойкой позволяет уменьшить ее длину при сохранении запирающих свойств [2].
гшшг&ъ щ «- -
80 мс
: Ч
I 840 мс
Рис. 1. Массовый взрыв без забойки
2 880 мс
Мы считаем необходимым еще раз вернуться к мнению специалистов во главе с Г.П. Демидюком, которые доказали, что взрывные работы без забойки приводят к увеличенным потерям энергии взрыва, снижению качества дробления и повышению дальности разлета кусков горной массы [3, 4]. Эти обширные и трудоемкие исследования были выполнены в прошлом веке, а мнения современных исследователей по минимальной длине засыпной забойки весьма неоднозначны, вплоть до полного отрицания необходимости забойки (что и закреплено в действующей редакции «Единых правил безопасности при взрывных работах», разрешающих вести взрывные работы без забойки). Важность и необходимость применения забойки подтверждает динамика массового взрыва порядной схемой 182 скважин, расположенных в 12 рядов, из которых только 9 в последних рядах взорваны с забойкой длиной 28 диаметров скважины. На рис. 1 видно, что из скважин с забойкой, отмеченных на переднем плане автошинами, разлета кусков нет, в то время как в остальных скважинах, взорванных без
забойки, разлет достаточно крупных кусков высок (отмечен овалами) и длителен (продолжался более 40 с).
Засыпная забойка длиной 28 диаметров показала высокую запирающую способность, но при такой длине существенно увеличивается зона нерегулируемого дробления. Поэтому мы провели экспериментальный массовый взрыв на карьере Теплоозер-ского цементного завода в известняках VIII категории крепости по СНиП для сравнения работы укороченных до длины в 14 диаметров заряда забоек: засыпной (рис. 2, а) и предложенной нами комбинированной [5]. Верхняя часть комбинированной забойки выполнена в виде монолитной пробки из бетона, а нижняя состоит из засыпного участка, размещенного над воздушным промежутком и отделенного от монолитной пробки буферным промежутком из вспененного полистирола (рис. 2, б).
Экспериментальный участок обурен 5-ю скважинами глубиной 11,4 м и диаметром 110 мм, расположенными на расстоянии около 6 м друг от друга по первому ряду уступа высотой 9,7-10,6 м на различном расстоя-
Скважнна I
Скважины 2-5
~77Г
Л
I
=0 аз
■ь
I
а
Рис. 2. Скважинные заряды с забойками над воздушным промежутком: а
ная; б - комбинированная; в - схема расположения на уступе
—
№ /
Г
200 400 600 800 1 ООО
Время, мс
Рис. 3. Высота пылегазовых выбросов из скважин,
1-5 - номера скважин
Рис. 4. Динамика скоростей выброса продуктов взрыва: а - интегральная скорость; б - интервальная скорость (номера кривых соответствуют номерам скважин)
нии от бровки уступа (рис. 2, в). Удвоенное расстояние между скважинами против обычной сетки (3х3 м) приня-
то для возможности замера зоны разрушения каждой скважины. Заряды скважин составляли по 60 кг граммонита 79/21. В скважине 1 установлена засыпная укороченная забойка длиной 1,6 м (рис. 2, а), в скважинах 2-5 - комбинированные укороченные бетонно-засыпные забойки такой же длины (рис. 2, б). С момента от формирования бетонной части забоек на цементе марки 400 до взрыва прошло около 27 часов. Для сравнения результатов в скважине 6, размещенной на другом торце уступа в 14 м от скважины 1, установлена засыпная забойка длиной 5 м (45 диаметров скважины).
Все скважины взорваны одновременно со съемкой цифровой видеокамерой [6]. Для масштабирования при обработке видеограммы на устья скважин размещали изношенные шины от автомобиля БелАЗ диаметром около 1,5 м.
Выброс кусков породы из устьев скважин и разлет кусков породы с откоса уступа отсутствует - горная масса плавно сошла вниз у всех скважин в интервале от 1 120 до 2 400 мс. Поэтому динамика пылегазо-вых выбросов (рис. 3), по которой оценивали запирающую способность забоек, приведена в диапазоне от 0 до 1 120 мс.
На рис. 3 видно, что высота выброса из скважин 2 и 5 с комбинированной укороченной забойкой практически вдвое превышает высоту
выброса из скважины 1 с засыпной укороченной забойкой, из скважин 3 и 4 - практически на уровне скважины 1.
Интегральные (накопительные) скорости пылегазовых выбросов показывают (рис. 4, а), что к 80 мс наибольшая скорость выброса наблюдается из скважины с засыпной укороченной забойкой (115 м/с). В скважинах с комбинированными укороченными бетон-но-засыпными забойками скорости практически вдвое меньше (55 м/с из скважин 3 и 5, 75 м/с из скважины 4 и 80 м/с из скважины 2). Через 160 мс скорость выброса во всех скважинах падает, а во 2-й - нарастает.
Характер изменения интервальной скорости (между отдельными кадрами видеосъемки) по скважинам 3, 4 и 5 идентичен, поэтому интервальные скорости сравнивали для скважин 1, 2 и 3 (рис. 4, б). Динамика интервальных скоростей пылегазовых выбросов свидетельствует о том, что засыпная забойка была выброшена из скважины к 80 мс: активное нарастание скорости выброса сменилось не менее резким падением. Такая же картина наблюдается в скважине 3, но величины скоростей вдвое меньше.
После 160 мс наблюдаются пульсации скорости выброса вплоть до 960 мс, что, видимо, объясняется остаточным сопротивлением забойки выбросу в процессе разрушения массива (цвет выброса все время серый с примесями пыли, в то время как выброс из скважины с засыпной забойкой к 160 мс уже белый). В скважине 2 наблюдаются два пика активизации скоростей (160 и 400 мс). При этом цвет выброса все время серый, с примесями пыли. Следовательно, комбинированные забойки имеют более длительное время запирания продуктов детонации сравнительно с засыпной за счет постепенного их разрушения и прорыва газов в образо-
вавшиеся трещины в бетонной части материала засыпной части.
Следует отметить, что обрушение уступа не достигло устья скважин 1 и 5 (рис. 5, а). За скважинами 2-4 образовался длинный закол на расстоянии около 5 м от бровки уступа глубиной более 1 м и шириной поверху 0,5-0,9 м (рис. 5, б), у скважин 1 и 5 заколов нет. Отсюда следует, что при порядном взрывании комбинированная укороченная забойка позволяет существенно увеличить расстояние между скважинами в ряду; расстояние от бровки уступа до оси скважины в 2 м занижено, а в 4 м -явно завышено. Для скважины же с засыпной укороченной забойкой и минимально допустимое по правилам безопасности расстояние в 2 м можно считать завышенным, поскольку выброс забойки произошел в интервале до 80 мс и время воздействия газов взрыва на массив горных пород было существенно меньше, чем у скважин с комбинированной укороченной забойкой (около 80 мс против скважины 2, 240 мс против скважины 4, 160 мс против скважин 3 и 5).
Скважины 2 и 3 имели равные параметры и одинаковую забойку, но время задержки забойки в скважине 2 существенно меньше (к 160 мс высота выброса достигла 5,0 м, а у скважины 3 высота выброса в 4,9 м достигнута только к 800 мс), поэтому площадь сечения развала по скважине 2 составила порядка 38 м2, а по скважине 3 - 54 м2, т.е. в 1,42 раза больше. Это можно объяснить только различием нарушенности пород в устьях скважин: в более нарушенных породах бетон удерживается лучше. Очевидно, что применение комбинированных укороченных забоек дает значительно лучшие результаты сравнительно с засыпной укороченной забойкой, и практически сопоставимые с засыпной забойкой в 45 диаметров
Рис. 5. Некоторые результаты массового взрыва: а - развал горной массы; б - закол у скважин 2-4; в - закол у скважины 6
(рис. 5, в), что позволит существенно увеличить сетку скважин, снизив величину зоны нерегулируемого дробления.
Столь убедительные доказательства преимуществ комбинированных забоек положительно восприняты научным горным сообществом в ходе обсуждений на нескольких симпозиумах «Неделя горняка». Понимая, что работы с бетоном в карьере вызовут затруднения у производственников, мы предложили комбинированную засыпную забойку с закладными элементами [7] в виде бетонных конусов (рис. 6).
При проведении опытных массовых взрывов в промышленных взрывных скважинах по первому ряду на различных предприятиях: Корфовском каменном карьере, Совгаванском карьере гра-нодиоритов, Понийском карьере габбродиоритов, Буреинском угольном разрезе мы столкнулись с целым рядом трудностей. Это потеря скважин из-за обрушения устьев (на Пони из 14 скважин потеряно 4), значительные вывалы в нижней зоне перебура верхнего уступа при ударном бурении (Корфовский карьер), трудности видеосъемки. Почти во всех случаях, даже при выделении отдельных участков под экспериментальные скважины, на съемки налагается взрыв промышленных блоков, затрудняющий обработку видеоматериалов. Поэтому мы пришли к выводу, что поисковые исследования по выбору параметров и места установки закладных элементов в комбинированной забойке следует вести в условиях полигона.
Проведение полигонных взрывов в скважинах глубиной 2 м с зарядом 3 кг [8] и последу-
части скважины, особенно при ударном бурении.
Поэтому мы провели в августе 2013 г. на выемке федеральной автомобильной дороги М56 «Лена» экспериментальный массовый взрыв с комбинированными забойками на участке с одной обнаженной поверхностью в скальных грунтах крепостью VI по СНиП.
Восемь скважин диаметром 127 мм глубиной 2,7-3,0 м расположили в
Рис. 6. Закладной элемент комбинированных забоек (а) и установка его в скважину (б)
юшим вскрытием воронок взрыва, позволило еще раз подтвердить лучшую работоспособность комбинированных забоек в сравнении с засыпными. На рис. 7 приведены показатели массового (а) и полигонного (в) взрывов на Теплоозерском карьере, свидетельствующие о хорошем соответствии показателей.
Однако полигонные взрывы на рыхление существенно усложняют дальнейшую работу предприятия, поскольку воронки рыхления (рис. 8, а), а тем более очищенные от горной массы (рис. 8, б) создают определенные затруднения для ведения горных работ: необходима зачистка поверхности, а при попадании буримой скважины в воронку рыхления возникает опасность обрушения верхней
а
+116%
+■ вх%
+ 52%
+ 36%
2 3 4 Номера скважин
Рис. 7. Показатели массового (а) и полигонного (б, в) взрывов
« б Рис. 8. Воронка рыхления экспериментального взрыва: видимая (а), очищенная от горной массы (б)
два ряда на расстоянии 4 м друг от друга с заведомым завышением глубины заложения заряда, поскольку верхняя часть массива горных пород на глубину 0,5-1 м представлена укатанным насыпным скальным грунтом. Обшая масса заряда каждой скважины из патрона Эмуласта массой 4 кг и боевика из 3-х патронов аммонита № 6ЖВ, составила 4,6 кг. Все скважины взорваны одновременно с по-мошью ДШ. Видеосъемку взрыва осу-шествляли цифровой видеокамерой Panasonic SDR-H100, расположенной на расстоянии около 100 м от взрыва на вышележашем уступе выемки.
На рис. 9 приведены характерные кадры развития экспериментального полигонного взрыва, на которых видно, что к 40 мс произошла детонация зарядов (видны пылегазовые выбросы от узлов ДШ) и начался выброс материала забойки из скважин с засыпной забойкой (1, 4 и 6). К 120 мс начался выброс забоечного материала из скважины 3 с закладным элементом в виде бетонного конуса длиной 36 см, а к 160 мс - из скважины 5 с закладным элементом в виде каменного набросного материала. Из остальных скважин выброса забоечного материала не наблюдается.
После взрыва оценивали величину воронки выброса. В скважинах 1-3,
5, 6 ее нет, в скважине 4 наблюдается выпирающий горн размером 3х2,6 м (рис. 10), в скважинах 7 и 8 (рис. 11)-соответственно 1,7х1,9 м и 1,6х1,6 м.
Скважины 1, 4 и 6 выполнены с засыпной забойкой из бурового шлама. В скважинах 2, 3, 7 и 8 установлены комбинированные засыпные забойки с закладными элементами в виде бетонных конусов с диаметром основания 125 мм и высотой 2,5-3 диаметра, установленных острием вверх на подушку из бурового шлама. Между конусом и стенками скважин размещали щебень крупностью 20-65 мм. В скважине 5 закладным элементом выступает наброска из камней размером 30-100 мм.
В скважине 2 произошел полный камуфлет - материал забойки остался на месте. Разрушение на уровне камуфлета наблюдается и в скважинах 1, 3, 5, 6, но в них забоечный материал выброшен полностью (скважины 1, 4) или частично (скважины 5, 6). В скважине 7 остался на месте шнур, на котором опускали в скважину бетонный конус, что подтверждает полное заклинивание закладного элемента.
Динамика движения материала забоек из экспериментальных скважин (рис. 12) показывает, что выброс материала засыпных забоек из бурового
шлама в скважинах 1, 4 и 6 начинается практически одновременно, но с разными параметрами: из скважины 4 движение на выброс идет более ускоренно до 80 мс, а затем сушествен-но замедляется, как и в скважине 6. Материал забойки скважины 1 ускоренно движется вплоть до 560-й мс. Комбинированные засыпные забойки с закладными элементами ведут себя иначе. Так, забойка скважины 3 с закладным элементом в виде бетонного конуса начинает движение к 120 мс с резким ускорением, как в скважине 4, со 120 по 200 мс динамика выброса аналогична скважине 1, а далее опять, как в скважине 4. Динамика выброса забоечного материала из скважины 5 с закладным элементом в виде каменного материала аналогична скважине 6, только с более низкими параметрами.
Более четко изменение динамики выброса материала забоек прослеживается на диаграммах изменения скоростей выброса: интегральной, представленной на рис. 13, а и интервальной, представленной на рис. 13, б.
Интегральные скорости выброса материала забоек идентичны по характеру: одномодальные кривые, от-ражаюшие резкий первичный подъем скорости с последующим плавным ее снижением.
Совершенно другая картина на интервальных скоростях выброса: они многомодальны, что отражает прерывистый характер движения материала забоек. Периодически возникают моменты заклинивания забоечного материала с последующим его срезом. Особо выделяется комбинированная забойка с закладным элементом в виде бетонного конуса: после выброса материала со скоростью 68 м/с на начальном интервале, на следующем интервале происходит резкое падение скорости в 4 раза, до 17 м/с. На следующем интервале виден рост скорости вдвое, до 30 м/с и снова 4-х кратное падение до 7 м/с. Засыпные забойки и комбинированная с закладным элементом в виде каменной наброски имеют более низкие величины колебаний интервальной скорости. Это можно объяснить более жестким
Рис. 9. Видеограмма развития экспериментального массового взрыва
Скв 3
Рис. 10. Параметры скважии 1-4 и вид поверхности блока в их районе
расклиниванием бетонного конуса щебнем в стенки скважины.
По экспериментальному взрыву можно сделать следующие выводы.
Подтверждено более высокое качество запирания продуктов взрыва комбинированной забойкой с закладным элементом в сравнении с засыпной: все засыпные забойки выброшены из скважины, а три комбинированных забойки с закладным элементом в виде бетонного конуса, расклиненного в скважине щебнем, остались на месте. Выброшенные из скважины комбинированные забойки с закладным элементом в виде бетонного конуса и каменного материала, запирали продукты детонации дольше, чем засыпные, на 80 и 120 мс соответственно. При этом, судя по интервальным скоростям выброса материала забоек, расклинивание бетонного конуса происходит прочнее, чем материала забоек других испытанных типов.
Очень важным моментом этого экспериментального взрыва является отсутствие видимых воронок на поверхности ввиду полного камуфлета, что существенно повышает толерантность производственников к проведению полигонных экспериментов.
Высокая степень совпадения характерных особенностей динамики высоты выбросов и скоростей движения материалов забоек при взрывании скважин глубиной 11 м и 3 м (см.
Рис. 12. Динамика выбросов материала забоек из скважин
Рис. 13. Скорости выброса материала забоек: интегральные (а); интервальные (б)
рис. 3, 4 и 12, 13) подтверждает целесообразность перехода на полигонные взрывы с заглубленным до уровня камуфлета зарядом ВВ при отработке деталей построения комбинированной забойки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Друкованый М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах. - М.: Недра, 1973. - 416 с.
2. Буравцов В.П., Тарасенко В.П. Физико-техническое обоснование параметров забойки и оценка ее роли в управлении действием взрыва скважинных зарядов на карьерах // Проблемы взрывного дела. -2002. - № 1. - С. 5-9.
3. Демидюк Г.П. и др. Влияние забойки на степень дробления горных пород взрывом // Взрывное дело. - 1963. - № 53/10. -С. 96-105.
4. Демидюк Г.П. О повышении степени полезного использования энергии взрыва // Взрывное дело. - 1966. - № 60/17. - С. 237-254.
5. Шевкун Е.Б., Лешинский A.B., Левин Д.В., Матушкин Г.В., Лукашевич И.К.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Забойка комбинированная: Патент РФ № 2308674. МПК7 F 42 D 1/08.2007.
6. Шевкун Е.Б., Лешинский A.B., Рудницкий К.А. Особенности применения комбинированных укороченных забоек // Проблемы комплексного использования георесурсов: материалы IV Всерос. научн. конф. с участием иностранных ученых. Хабаровск, 27-29 сент. 2011 г. В 2 т. - Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 2011. Т. 1.
7. Шевкун Е.Б., Лешинский A.B., Рудницкий К.А., Ииколаев A.C. Комбинированная засыпная забойка скважин: Патент РФ № 2462688. МПК7 F 42 D 1/08. 2012.
8. Дещинский А.В., Шевкун Е.Б. Забойка взрывных скважин на карьерах. Хабаровск: ТОГУ, 2008. 230 с. ЕШЗ
Шевкун Евгений Борисович - доктор технических наук, профессор, Лешинский Александр Валентинович - доктор технических наук, доцент, Тихоокеанский государственный университет, e-mail: mail@pnu.edu.ru; Галимьянов Алексей Алмазович - горный инженер, начальник участка взрывных работ, ОАО «Ургалуголь»;
Рудницкий Константин Абрамович - горный инженер, генеральный директор группы компаний «БСК-взрывпром».
UDC 622.235
PRODUCTION TESTS OF COMBINED SHOTHOLE STEMMING
Shevkun E.B., Doctor of Technical Sciences, Professor,
Leschinsky A.V., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor,
Pacific National University, e-mail: mail@pnu.edu.ru;
Galimjanov A.A., Mining Engineer, Head, Blasting Section, Uralugol JSC,
Rudnitsky K.A., Mining Engineer, General Director, BSK-Vzryvprom Group of Companies.
Extensive experimental researches of various types stoppers explosive chinks are spent. Higher quality of lock-out of products of explosion combined 3a60MK0M with a mortgage element in comparison with friable stopper is confirmed. The technique of carrying out of the further researches is defined.
Key words: explosive loosening of breeds, stopper explosive chinks, lock-out of products of a detonation.
REFERENCES
1. Drukovanyj M.F. Metody upravlenija vzryvom na kar'erah (Methods of explosion control in open pit mines), Moscow, Nedra, 1973, 416 p.
2. Buravcov V.P., Tarasenko V.P. Problemy vzryvnogo dela, 2002, no 1, pp. 5-9.
3. Demidjuk G.P. Vzryvnoe delo, 1963, no 53/10, pp. 96-105.
4. Demidjuk G.P. Vzryvnoe delo, 1966, no 60/17, pp. 237-254.
5. Shevkun E.B., Leshhinskij A.V., Levin D.V., Matushkin G.V., Lukashevich N.K. Patent RU2308674. MnK7 F 42 D 1/08.2007.
6. Shevkun E.B., Leshhinskij A.V., Rudnickij K.A. Materialy IV Vserossijskoj nauchnoj konferencii s uchastiem inostrannyh uchenyh. Habarovsk, 27-29 sent. 2011. V 2 t. (Proceedings of the 4th All-Russian Scientific Conference in Partnership with Foreign Scientists), Khabarovsk, IGD DVO RAN, 2011, vol. 1.
7. Shevkun E.B., Leshhinskij A.V., Rudnickij K.A., Nikolaev A.S. Patent RU2462688. MnK7 F 42 D 1/08.2012.
8. Leshhinskij A.V., Shevkun E.B. Zabojka vzryvnyh skvazhin na kar'erah (Shothole stemming in open pit mines ), Khabarovsk, TOGU, 2008, 230 p.
