CC BY
116
- © В.И. Комащенко, В.И. Голик,
В.А. Белин, А.Л. Гапоненко, 2014
УДК 622.271:622.235
В.И. Комащенко, В.И. Голик, В.A. Белин, А.Л. Гапоненко
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗРЫВНОЙ ОТБОЙКИ НА ОСНОВЕ НОВЫХ СПОСОБОВ ИНИЦИИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ НА КАРЬЕРАХ
Разработаны: ресурсосберегающие методы уступной отбойки при помощи комплексного использования детонационных процессов скважинных зарядов и рецептурного состава взрывчатых веществ с конверсионными добавками; конструкция универсального канального боевика, конструктивная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда ВВ с пустотелой полостью; новые конструкции зарядов с продольными полостями. Описана структура проведенных исследований, предложены наиболее эффективные схемы взрывания. Приведена типовая конструкция скважинного заряда с универсальным канальным боевиком. Отличительной особенностью новых конструкций зарядов является формирование устойчивых полостей различного назначения до начала производства взрыва, а также применение гирлянд из пустотелых емкостей для формирования зарядов с универсальным канальным боевиком.
Ключевые слова: дробление горной массы, взрывная отбойка, карьеры, скважин-ные заряды, конверсионные добавки, буровзрывные работы.
При разработке скальных массивов основным способом отбойки являются буровзрывные работы, которым в обозримой перспективе нет альтернативы. Основным типом взрывчатых веществ остается граммо-нит 79/21.
К качеству дробления горной массы, от которого, зависит эффективность горного предприятия, предъявляются высокие требования. Важным направлением повышения эффективности отбойки в карьерах остаются поиски новых взрывчатых веществ. Остаются актуальными работы по созданию эффективных методов ведения взрывных работ.
В основе разработанных нами ресурсосберегающих методов уступной отбойки лежит идея комплексного использования детонационных процессов скважинных зарядов и рецептурный состав взрывчатых веществ с конверсионными добавками.
Высокая эффективность уступной отбойки горных пород при открытой разработке месторождений обеспечивается применением скважинных зарядов с осевой продольной полостью и универсальным канальным боевиком. При этом диаметр осевой полости составляет 15-20% от объема взрывной скважины, что позволяет на такую же величину уменьшить расход взрывчатых веществ, без снижения качества дробления горной массы.
Высокое качество формирования полостей в скважинных зарядах достигается использованием специальных гирлянд из пустотелых элементов, которые обеспечивает полноту и устойчивость детонации, снижают выбросы продуктов взрыва, и позволяют уменьшить величину перебура на 30-50%.
Снижению стоимости взрывных работ способствует использование смесевых взрывчатых веществ с кон-
Рис. 1. Структурная схема исследований
версионными добавками в количестве 20-30%), инициируемых разработанным мощным универсальным канальным боевиком.
Комплекс исследований характеризуется рис. 1.
Исследования в области разрушения твердого тела концентрируются на решении принципиальной зада-
чи - атомного механизма разрушения, в рамках которой рассматриваются возникновение и распространение дефектов кристаллической решетки твердого тела, вызванные внешней нагрузкой, т.е. дополнительным внешним полем.
Так, процесс разрушения железистых кварцитов как неоднородной
Взрывчатые вещества для карьеров и их характеристики
Показатели Тип ВВ
Грам-монит 79/21 Игданит Грану-лит М Грану-лит АС-4 Грану- лит АС-8В Гранулит А-6 Гранулит Д-5 Гранулит НМ Украи-нит ПМ Акватол ГЛ-20Г Гранулотол
Сухой Водона-полнен-ный
Кислородный баланс, % 0,02 +0,12 +0,14 +0,41 -3,3 -1,2 +8,22 0,56 0,5-4,3 -1,3 -7,4 -
Теплота взрыва, кДж/кг 4330 3760 3760 4520 5230 4500 3457 3720 4100-4400 3310-3690 3570 4330
Объем газов взрыва, л/кг 895 980 980 907 - - 980 840 721-750 987 750 1045
Насыпная плотность, г/см3 0,85 0,8-0,9 0,8-0,9 0,8-0,9 0,8-0,9 0,8-0,9 0,8-0,9 0,94 1,5 1,35-1,4 0,9-1,0 -
Объем ядовитых газов, л/кг 42,7 - - - - 60,5 35 21,4 750 1045
Критический диаметр, мм стальная оболочка бумажная оболочка 15-20 40-60 25-30 120-150 15-20 80-100 20-25 60-100 20-25 80-100 25-30 100-120 40 120 25-30 150,5 100-120 60-80 25-30
Скорость детонации, км/с 3,2-4 2,2-2,8 2,5-3,6 2,6-3,5 3,0-3,6 2,5-3,6 3,4-3,7 3,5-4,0 4,3-4,4 4,5-5,0 4-4,6 5-5,5
Рис. 2. Схема короткозамедленного взрывания с обратным инициированием диагональных рядов зарядов от магистрали детонирующего шнура
среды лучше всего описывать с позиции статической теории прочности, рассматривающей разрушение в каждом элементарном объеме как вероятностный процесс. Это позволит выделить процесс разупрочнения межзерновых связей из общего процесса разрушения в железистых кварцитах.
Одним из решающих факторов, определяющих параметры буровзрывных работ на карьерах, является тип применяемого ВВ для заряжания скважин. Взрывчатые вещества, которые находят применение на карьерах и их характеристики, представлены в таблице.
Тенденция совершенствования промышленных ВВ заключается в увеличении удельного веса взрывчатых веществ из невзрывчатых компонентов. На территории Украины сосредоточены запасы боеприпасов, которые подлежат уничтожению с негативными последствиями. Они могут быть использованы на горных предприятиях, однако для успешного решения этой проблемы необходимо было выполнить исследования с целью определения области их применения.
Существующие заряды взрывчатых веществ по конструкции подразделяются на несколько групп: сплошные скважинные заряды, рассредоточенные скважинные заряды и комбинированные заряды.
Наиболее эффективными схемами взрывания являются диагональные схемы (рис. 2), схемы с обратным
инициированием диагональных рядов зарядов от магистрали детонирующего шнура, проходящего вдоль бровки уступа (рис. 3), а также схемы взрывания, позволяющие управлять параметрами развала и коэффициентом разрыхления горной массы (рис. 4).
Для повышения эффективности и экологической безопасности взрывных работ целесообразно применять взрывчатые вещества с малым содержанием тротила, а также эмульсионные и гелеобразные взрывчатые веще-
Рис. 3. Диагональные схемы: а - с трапециевидным врубом; б - со встречным инициированием
Рис. 4. Схемы взрывания: а - при трехрядном расположении скважин в блоке; б, в - то же, при четырех- и пятирядном
Рис. 5. Переход низкоскоростной детонации в полную детонацию основного заряда
ства с использованием детонирующих зарядов, а также неиспользуемые боеприпасы.
В качестве эффективных конструкций зарядов необходимо ориентироваться на скважинные заряды с полостями, а качестве схем взрывания предпочтительны диагональные схемы с системами неэлектрического инициирования.
Гранулированные, водонаполнен-ные и суспензионные ВВ отличаются некой флегматичностью, поэтому с целью повышения их надежности и эффективности, требуется применение специальных средств инициирования. Последними могут служить боевики, изготовленные из детонирующих зарядов в сочетании с удлиненным каналом.
Возбуждаемая перед фронтом детонации от инициирующего импульса промежуточного активного заряда ударная волна, инициирует химическое разложение поверхности ВВ на контакте с промежуточным детонатором и устремляется в канал, заполненный воздушной средой. Взрывной процесс при этом изменяется и рассматривается как гетерогенная система слоистой текстуры из ВВ и газа. Такой процесс можно характеризовать как двухслойную детонацию (рис. 5).
На рис. 6 изображена схема двухслойной детонационной волны для заряда ВВ с оболочкой без учета перемещения продуктов детонации с газом.
Справа налево поступают два слоя вещества со скоростью, превос-
Рис. 6. Схема двуслойной детонационной волны: 1
лочка заряда; 3 - прослойка
детонационный фронт; 2 - обо-
Рис. 7. Конструкции промежуточных детонаторов-боевиков (УКБ): 1 - забойка; 2 - нити ДШЭ-12; 3 - тара; 4 - шашка Т-400Г; 5 - волновод 11475; 6 - шашка ДПУ-830; 7 - пластиковые бутылки
ходящую скорость нормальной детонации сплошного заряда ВВ. Между ними возможно наличие прослойки 3. Ударная волна инициирует в ВВ косую ударную волну. Детонация возникает в некоторой точке И и далее идет раздвоенный детонационный фронт 1. Под действием продуктов детонации оболочка заряда 2 раздвигается, а прослойка 3 начинает двигаться к оси канала, обжимая газовый поток. В соответствии с приведенной схемой, процесс описывается в газодинамическом приближении.
Исследованиями действия сква-жинных зарядов с осевыми воздушными каналами установлено, что канальная ударная волна, может изменять параметры детонации, увеличивая скорость и вызывая существенную перестройку течения детонации в зоне химического превращения вещества стенок канала. Поэтому, скважинные заряды с осевыми воздушными или инертными каналами следует рассматривать как систему слоистой структуры, состоящей из ВВ и газов. Схема
процесса протекания детонации от промежуточного детонатора в канал проходит детонационная волна, которая толкает по каналу «поршнем» газообразных продуктов взрыва в направлении протекания детонации. Продукты взрывания сжимают детонационную волну позади фронта детонации, и за счет такого своеобразного боевика, создаются условия пред-детонации заряда по длине воздушной полости, что обеспечивает скорость протекания взрыва в удлиненном скважинном заряде в 1,21,3 раза больше номинальной.
Нами разработана конструкция так называемого универсального канального боевика, конструктивная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда ВВ с пустотелой полостью (рис. 7).
Типовая конструкция скважинного заряда с универсальным канальным боевиком показана на рис. 8.
УКБ устанавливаются в скважины перед началом заряжания. При применении УКБ в частично обводнен-
Рис. 8. Скважинный заряд с универсальным каналь ным боевиком
ных скважинах с применением технологии заряжания в п/э рукав, изделие устанавливается вне рукава.
При размещении УКБ в перебуре груз и запорное устройство закрепляется нижним концом веревки непосредственно у нижнего элемента. При размещении УКБ выше линии перебура груз и запорное устройство подвязываются к веревке УКБ на расстоянии 3,5-4,0 м от нижнего элемента.
Установка УКБ в скважину осуществляется при помощи веревки, нижний конец которой с грузом и запорным устройством должен коснуться забоя скважины, затем верхний конец веревки УКБ натягивается вверх до расклинивания запорного устройства и закрепляется на куске
породы подобно тому, как закрепляются верхние концы ПД.
Нами разработан ряд новых конструкций зарядов с продольными полостями.
На рис. 9 изображен общий вид конструкции заряда с каналом с размещением в буровой скважине гирлянды, изготовленной из бытовых, производственных отходов пустотелых изделий синтетического полимерного состава круглого сечения, или близкого к нему.
Для формирования конструкции заряда в скважину предварительно опускают изготовленную заранее или в процессе заряжания гирлянду из пустотелых полиэтиленовых емкостей круглого сечения, диаметром 80-100мм для скважин диаметром 250мм. Благодаря наличию мощного канального и кумулятивного действия взрыва, направленного ко дну скважины, лучше прорабатывается подошва уступа, что позволяет уменьшить величину перебура на 30-50%.
Создание промежутков во взрывчатом веществе или каналов гирляндой из пустотелых изделий отходов при заряжании буровых скважин в разных горнотехнических условиях, дает возможность не только улучшить дробление отбиваемого массива с минимально возможным расходом ВВ, но и утилизировать отходы производства, что является одним из элементов энергоснабжения.
Разработанные конструкции испытаны на железорудных карьерах ЮГОКа, ЦГОКа, НКГОКа и СевГОКа
в скважинах диаметром 250 мм. Гирлянда состояла из полиэтиленовых бутылок диаметром 80-120 мм, длиной 300-350 мм, которые соединены между собою попарно крепким шнуром с фиксацией по периметру каждой бутылки специальным узлом (рис. 10).
Расход ВВ при такой конструкции зарядов, по сравнению со сплошными зарядами, уменьшился на 15-17%
Механизм детонации скважинных зарядов с полостью значительно сложнее, чем в сплошных зарядах, в связи с тем, что имеет место распространение опережающей канальной ударной волны, поддерживаемой движением продуктов взрыва основного заряда. Образуется радиальная волна сжатия, распространяющаяся в глубь ВВ под углом к поверхности канала.
Наличие канального эффекта в скважинных зарядах способствует протеканию детонации в заряде в стабильном режиме, что очень важно в случае использования смесевых гру-бодисперсных или суспензионных ВВ с пониженной чувствительностью.
Применение разработанных скважинных зарядов с продольными каналами позволяет повысить надежность взрывания, снизить расход ВВ на 15-20%, по сравнению со сплошными зарядами, и решить проблему утилизации отходов.
С увеличением процентного содержания конвер-
Рис. 9. Конструкция заряда с осевым каналом из полиэтиленовых емкостей (а) и разрез (б)
Рис. 10. Упакованные запирающие устройства и инертные промежутки из полимерных емкостей, подготовленные к установке в скважине
Д м/с
4ЙВ
«00
«01>
Ш7
_ ( _ ^ 2
1
Ю
го
¡0
но
Л) кп,%
Рис. 11. Скорость детонации смеси: 1 - гранулирований ТНТ; 2 - граммонит 79/21
Рис. 12. Скорость детонации смеси (79/21%, КП -30%) с применением боевиков: 1 - ДШЭ (5-7 г ТЭНа); 2 - гексопласт Г-75 (100 г); 3 - ТНТ (400 г)
сионных продуктов с 0 до 20% о, скорость детонации смеси из граммонита 79/21 и конверсионных добавок до 20%) остается практически неизменной, а в смеси ТНТ с конверсионными добавками почти до 25% также остается неизменной (рис. 11).
На рис. 12 представлен характер детонационного режима зарядов граммонитов 79/21 (70%) и КП (30%). Из графика видно, что на контакте инициатора и взрываемого заряда скорость детонации зависит от типа промежуточного детонатора.
Исследованиями процесса разрушения горных пород с применением сме-севых взрывчатых веществ с конверсионными добавками доказана целесообразность и возможность применения при отбойке горных пород смесей взрывчатых веществ с конверсионными добавками.
Заряды с универсальным канальным боевиком, а также инициирование зарядов с использованием кумулятивного эффекта повышает эффективность взрывания зарядов в том числе и с конверсионными добавками при уступной отбойке пород.
На карьерах Украины проведены широкие промышленные испытания конструкций скважинных зарядов. Заряжено и взорвано 5573 скважины и от-бито 4,4 млн м3 горной массы, в т.ч. 2,6 млн м3 скальной горной массы и 1,7 млн м3 руды.
С применением конструкций зарядов, содержащих упрочненные боковые полости, было взорвано 5165 скважин и отбито 3,9 млн м3 горной массы, в т.ч. 1,9 млн м3 скальной горной массы и 2,7 млн м3 руды.
Конструкция заряда с инертной запирающей пробкой и рассредоточенного инертным промежутком была применена при взрывании 1127 скважин. При этом отбито 777,8 тыс. м3 горной массы и 298,3 тыс. м3 руды.
Качество дробления горной массы, полученной от взрывания зарядов с осевыми полостями, отличалось равномерным дроблением, компактным развалом, высокой степенью проработки подошвы уступов.
Рис. 13. Исполнительная схема коммутации взрывной сети (а) и конструкция сква-жинного заряда (б)
При взрывании весьма крепких горных пород использовали разработанный способ инициирования сква-жинных зарядов взрывчатых веществ с использованием кумулятивного эффекта. Применение конструкций зарядов с осевой полостью показали их высокую эффективность и целесообразность внедрения.
На рис. 13 показана исполнительная схема коммутации взрывной сети и конструкция скважинного заряда блока в силикат-карбонат-магнети-товых кварцитах с коэффициентом крепости / = 14-16, а также магнетит-силикат-карбонатных кварцитах с коэффициентом крепости / = 1214. Удельный расход ВВ составил 0,82 кг/м3. Выход горной массы с 1 м скважины - 36,9 м3/м. Длина заряда в
скважинах составляла в среднем 11 м при длине забойки 5 м. Вместимость ВВ в скважине - 64 кг/м. На массовый взрыв использовано 162 шт. универсальных канальных боевиков длиной 5 м каждый. В результате массового взрыва было отбито около 100 000 т горной массы.
Заряды с осевыми полостями с универсальным канальным боевиком можно отнести к числу ресурсосберегающих конструкций зарядов, так как они позволяют существенно уменьшить расход взрывчатых веществ при обеспечении высокого качества дробления, а следовательно, получить значительный экономический эффект.
В результате внедрения технологии получена экономия дорогостоящих промышленных взрывчатых веществ:
Э = с1к1 + С2К3 + С3К3 + С4К4 -
С5Кукб,
где с1, с2, с3, с4 - соответственно стоимость сэкономленных гранулотола, граммонита 79/21, украинита, эмони-та; с5 - стоимость одного универсального канального боевика, грн.; К1, К2, К3, К4 - соответственно количество сэкономленных (в тоннах) гранулотола, граммонита 79/21, эмонита; К5 - количество использованных универсальных канальных боевиков, шт. Результаты промышленных испытаний показали целесообразность и возможность широкого применения конструкций сква-жинных зарядов, основанных на использовании впервые разработанного универсального канального боевика.
Использование скважинных зарядов с универсальным канальным боевиком позволяет, не увеличивая удельный расход взрывчатых веществ, обеспечить снижение диаметра среднего куска взорванной горной массы на 15-20%, при компактном развале с коэффициентом разрыхления 1,151,20, и, за счет направленного развития взрыва обеспечить проектную отметку подошвы уступа.
Основные научно-практические выводы:
Для повышения эффективности и экологической безопасности взрывных работ целесообразно применять
взрывчатые вещества с малым содержанием тротила, а также эмульсионные и гелеобразные взрывчатые вещества и утилизируемые изделия военного назначения в сочетании с мощными инициирующими зарядами.
Целесообразно ориентироваться на скважинные заряды с осевыми полостями.
Для повышения устойчивого режима детонации применяется универсальный канальный боевик, отличительная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда взрывчатого вещества с продольной пустотной полостью.
Отличительной особенностью новых конструкций зарядов является формирование устойчивых полостей различного назначения до начала производства взрыва, а также применение гирлянд из пустотелых емкостей для формирования зарядов с универсальным канальным боевиком.
Применение зарядов с универсальным канальным боевиком позволяет на 10-15% сократить расход дорогостоящих и дефицитных взрывчатых веществ и, не увеличивая удельный расход, обеспечить снижение диаметра среднего куска взорванной горной массы на 15-20% при компактном развале с коэффициентом разрыхления 1,15-1,20 и за счет направленного развития взрыва достичь проектной отметки подошвы уступа.
1. Еременко Г.И., Гапоненко А.Л. Разработка конструкций скважинных зарядов с инертными и осевыми промежутками // Вюник Кривор1зького техшчного ушверситету. - 2007. - № 18. - С. 11-13.
2. Воробьев В.В. Эффективность использования газообразных добавок к ВВ / Материалы 1-й Украинской научной конференции «Промышленные взрывчатые вещества и средства их инициирования». Вып. 1. -Шостка: Гос.НИИХП, 1995. - С. 13-15.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Комир В.М., Воробьев В.В., Нападай-ло В. И. Влияние добавок газообра зующих веществ в ВВ на эффективность разрушения горных пород // Взрывное дело. - 1991. -№ 90/47. - С. 23-25.
4. Голик В.И., Комащенко В.И., Дребен-штедт К. Совершенствование технологии отбойки горной массы при разработке нагорных карьеров / IX Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». М.: РГГРУ, 2009. КШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Комащенко Виталий Иванович - доктор технических наук, профессор, Голик Владимир Иванович - доктор технических наук, профессор, Центр геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания, e-mail: [email protected];
Белин Владимир Арнольдович - доктор технических наук, профессор, МГИ НИТУ «МИСиС», e-mail: [email protected]; Гапоненко А.Л. - инженер,
производственное предприятие «Эскорт», Украина.
UDC 622.271:622.235
ENHANCED EFFICIENCY OF BLASTING BY NEW METHODS OF BOREHOLE CHARGE INITIATION IN OPEN-PIT MINES
Komashchenko V.l., Doctor of Technical Sciences, Professor, Golik V.l., Doctor of Technical Sciences, Professor, Center of Geophysical Research,
Vladikavkaz Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
and the Government of Republic of North Ossetia-Alania, e-mail: [email protected];
Belin V.A. , Doctor of Technical Sciences, Professor,
Moscow Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», e-mail: [email protected]; Gaponenko A.L., Engineer, Production Enterprise «Escort», Ukraine.
Resources-saving methods of bench breaking have been developed based on integrated utilization of detonation of borehole charges and formulation of explosives with conversion additives; besides, a multi-purpose channel booster, a feature of which is combination of a priming charge and a hollow space, and charges with axial pockets have been designed. The article describes the structure of the performed research and offers the most efficient blast patterns. The standard design of the borehole charge with the multipurpose channel booster is presented. The new design feature of the charges is various-purpose stable pockets and strings of hollow chambers to form charges with the multi-purpose channel booster.
Key words: rock crushing, blasting, open-pit mines, boreholes charges, conversion additives, drilling-and-blasting.
REFERENCES
1. Eremenko G.I., Gaponenko A.L. Vicnik Krivoriz'kogo tekhnichnogo universitetu, 2007, no 18, pp. 11-13.
2. Vorob'ev V.V. Effektivnost' ispol'zovaniya gazoobraznykh dobavok k VV. Materialy 1-i Ukrainskoi nauchnoi konferentsii «Promyshlennye vzryvchatye veshchestva i sredstva ikh initsiirovaniya» (Efficiency of additive gas in explosives. Proceedings of I Ukrainian Scientific Conference «Industrial Explosives and Their Initiation Means»), issue 1, Shostka, Gos.NllKhP, 1995, pp. 13-15.
3. Komir V.M., Vorob'ev V.V., Napadailo V.l. Vzryvnoe delo, 1991, no 90/47, pp. 23-25.
4. Golik V.l., Komashchenko V.l., Drebenshtedt K. Sovershenstvovanie tekhnologii otboiki gornoi massy pri razrabotke nagornykh karerov. IX Mezhdunarodnaya konferentsiya «Novye idei v naukakh o Zemle» (lm-provement of rock mass breaking technology in mountain open-pit mines. lX lnternational Conference «New ldeas in Geosciences»), Moscow, RGGRU, 2009.
