CC BY
130
2010
УДК 622.235
А.В. Лещинский, Е.Б. Шевкун
СРЕДСТВА И СПОСОБЫ РАССРЕДОТОЧЕНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ
~П современных условиях развития открытых горных работ первостепенное значение в их -И-М интенсификации отводится буровзрывным работам. Создание запасов качественно взорванной горной массы обеспечит наиболее эффективное использование выемочнопогрузочного и транспортного оборудования.
Сплошные скважинные заряды, несмотря на то, что они наиболее применяемы в практике ведения взрывных работ, наименее эффективны с точки зрения механики взрывного дробления -при взрыве сплошного заряда образуется максимальный объем мельчайших и крупных фракций, а выход негабарита может достигать 15 % и более. Многочисленными исследованиями установлено, что повышению полезного использования энергии взрыва в значительной мере способствует применение воздушных промежутков во взрывных скважинах - при рассредоточении зарядов воздушными промежутками достигается более мелкое и равномерное дробление, чем при сплошных зарядах [1, 2].
Разработке способов рассредоточения скважинных зарядов ВВ уделялось серьезное внимание на протяжении многих лет [3, 4] На рис. 1 укрупненно сгруппированы известные на настоящее время способы и устройства для рассредоточения скважинных зарядов, Многие из них имеют определенные недостатки. При рассредоточении зарядов ВВ в сухих скважинах наиболее технологичным и дешевым в настоящее время является заполнение воздушного промежутка вспененным полистиролом плотностью 10...15 кг/м3, содержащим в гранулах до 98 % воздуха. Пенополистирол в настоящее время очень широко распространен, доступен, дешев, он не гигроскопичен, имеет достаточную несущую способность, химически устойчив,
Рис. 1. Способы и устройства для рассредоточения скважинных зарядов ВВ
горюч, что позволяет увеличить дополнительный объем газов взрыва. При его использовании возможно последующее заполнение водой из массива сформированного воздушного промежутка скважины, доля воздуха в нем все равно будет выше 60 %. Малая плотность пенополистирола создает и некоторые трудности: в ветреную погоду пенополистирол при засыпке из мерной емкости в скважину раздувается ветром, что требует применения дополнительных приспособлений. Гранулы пенополистирола электризуются, что также затрудняет засыпку его в скважину. Кроме того, необходимо производить замеры высоты воздушного промежутка по мере его формирования.
Указанные недостатки устраняются формированием воздушных промежутков в скважинах упаковками с пенополистиролом длиной, равной высоте воздушного промежутка (рис.2), что устраняет необходимость проведения замеров при его формировании, исключает влияние электризации и раздувание ветром.
В нижнюю часть оболочки 1 помещают утяжелитель 2, например, кусок горной породы, засыпают пенополистирол 3 на заданную высоту воздушного промежутка, плотно обжимают оболочку и завязывают его несущим шнуром 4 такой длины, чтобы его хватило для опускания на
заданную глубину в скважину 5 для формирования воздушного промежутка 6.
Рис. 2. Схема формирования воздушного промежутка упаковками с пенополистиролом: а - опускание в скважину упаковки; б - опускание в скважину уплотняющего объема ВВ; в - заряженная скважина с воздушным промежутком
Затем опускают пробку 7 для исключения просыпи ВВ в воздушный промежуток вдоль стенок упаковки.
Более технологично рассредоточивать заряды ВВ элементами из пенопласта различной формы, свободно проходящими в скважину. Мы исследовали целесообразность выполнения воздушных промежутков в скважинах элементами из пенопласта в форме эллипсоидов (сплюснутого, вытянутого, яйцевидного), а также элементов прямоугольной формы. Предпочтение отдано элементам прямоугольной формы (рис. 3), которые легко нарезать из стандартных плит пенопласта, широко применяемого в строительной индустрии. В скважинах правильной цилиндрической формы и с вывалами стенок воздушные промежутки можно создавать параллелепипедами с длиной одной из граней, равной высоте воздушного промежутка.
Максимальный размер грани в поперечном сечении параллелепипеда рекомендуется принимать Ь « 0,65 D ,
где Б - диаметр скважины.
а
б
в
Рис. 3. Расположение элементов в форме параллелепипедов в скважине: а - с длиной одной из граней, равной высоте воздушного промежутка; б - с длиной одной из граней, меньшей диаметра скважины, но большей ее радиуса; в -кубиков
Такой способ создания воздушных промежутков из пенопласта обеспечивает быстрое их формирование независимо от погодных условий, упрощает сам процесс, поскольку отпадает необходимость замера высоты сформированного воздушного промежутка, как это необходимо делать при засыпании гранулированного пенополистирола из-за колебаний диаметра скважины при износе бурового инструмента.
Элементы из пенопласта, имеющие форму коротких параллелепипедов, вполне применимы для создания воздушных промежутков в скважинах, пробуренных в горных породах с нарушенной структурой и имеющих вывалы стенок скважины. Рекомендуемый размер длинной стороны параллелепипеда b = 0,71D , а размер стороны квадратного основания a = 0,43D .
По мере формирования воздушного промежутка необходимо производить замеры для определения соответствия фактической высоты воздушного промежутка заданной.
В скважинах, пробуренных в породах нарушенной структуры и искривленных относительно продольной оси, целесообразно выполнять воздушные промежутки кубиками из пенопласта. Для формирования воздушных промежутков взрывных скважин может быть применен лом изделий из пенопласта (рис.4, а), а также использованные или бракованные пластиковые емкости из-под напитков (рис.4, б).
Анализ литературных источников показал, что имеется опыт гидроизоляции зарядов ВВ в обводненных скважинах, а опыт создания воздушных промежутков в таких скважинах практически отсутствует.
Следует различать обводненные скважины, которые на время зарядки можно или нельзя осушить. В осушаемых скважинах формирование заряда в скважине производят, пока в ней нет воды, например, сразу после бурения или после осушения специальными машинами. Нами предложены технологии формирования в обводненных скважинах зарядов ВВ, рассредоточенных вспененным полистиролом. Здесь возможны два варианта формирования рассредоточенного заряда ВВ: в гидроизоляционную оболочку и непосредственно в скважину. Формирование
рассредоточенного заряда ВВ в гидроизоляционную оболочку связано с определенными трудностями, поэтому рассмотрена возможность рассредоточения зарядов ВВ пенополистиролом непосредственно в осушенной скважине.
Водонасыщение отдельных гранул вспененного полистирола практически отсутствует, а вот водонасыщение насыпной массы пенополистирола значительно. Относительный объем пустот, образовавшихся после засыпки гранул пенополистирола в скважину на высоту h, равен
k = 1 - 0,62^ , где ц - коэффициент, учитывающий пустоты между стенками скважины и гранулами пенополистирола, равный 0,94. Поскольку пустоты в объеме пенополистирола заполняются водой, то коэффициент k и определяет водонасыщение пенополистирола. Наши лабораторные исследования по определению водонасыщения насыпного пенополистирола показали, что, чем крупнее фракция пенополистирола, тем больше ее водонасыщение. Расхождение между результатами расчетов и фактическими данными объясняется тем, что даже фракционированный (монофракционный) пенополистирол состоит из гранул не одного, а разных диаметров, что влияет на плотность упаковки гранул.
а б
Рис. 4. Схема формирования воздушного промежутка: а - из лома пенопласта; б - пластиковыми емкостями: 1 - лом изделий из пенопласта; 2 - пластиковые емкости; 3 - заряд ВВ; 4 - пробка
Нефракционированный (полифракционный) пенополистирол имеет меньшее насыщение по сравнению с монофракционным, поэтому для получения наибольшего объема воздушного промежутка следует использовать нефракционированный пенополистирол. Используя фракционированный пенополистирол, можно обеспечить различные значения коэффициента водонасыщения.
Пенополистирол производится предприятиями, расположенными во многих городах страны, что дает возможность горному предприятию приобрести его готовым к применению. Для потребителей, расположенных на удалении, стоимость такого материала с учетом транспортных расходов будет очень высока. Для предприятий малой мощности нами разработано нестандартное оборудование. Оно просто по конструкции и представляет собой емкость, вода в которой подогревается до температуры кипения, и лопастной вал, предотвращающий спекание пенополистирола. В такой установке полистирол
а б в г
Рис. 5. Схема формирования комбинированного рассредоточенного заряда ВВ в обводненной скважине: а -
скважина до осушения; б - скважина, подготовленная к заряжанию; в - заряженная скважина с воздушным промежутком из пенополистирола в обводненной части; г - заряженная скважина с воздушным промежутком из вспененного полистирола в сухой части
вспенивается именно в кипящей воде, а не водяным паром, как в промышленных установках.
Формирование воздушного промежутка из пенополистирола технически существенно упрощается и происходит как в обычной сухой скважине, однако здесь необходимо учитывать статический уровень воды. Ознакомимся со способами формирования комбинированного рассредоточенного заряда ВВ в осушенной от воды скважине (рис. 5).
В скважине 1, содержащей воду 2, замеряют уровень воды 3 и проводят ее осушение одним из известных способов. В осушенную скважину размещают боевик 4 на проводнике инициирующего импульса 5 и формируют комбинированный заряд, рассредоточенный промежутками из вспененного полистирола. При этом возможны следующие характерные случаи расположения воздушного промежутка.
а б в г
Рис. 6. Рассредоточение заряда ВВ газовым промежутком: а - размещение нижней части заряда ВВ; б - размещение на нижней части заряда ВВ оболочки с утяжелителем и химическими реагентами; в - скважина с газовым промежутком перед формированием верхней части заряда; г - заряженная скважина с газовым промежутком
При расположении статического уровня воды ниже уровня установки воздушного промежутка на нижнюю часть заряда 6 из водостойкого ВВ формируют верхнюю часть заряда 8 из неводоустойчивого ВВ до уровня установки воздушного промежутка, затем воздушный промежуток 7 из вспененного полистирола, и потом завершают формирование верхней части заряда. При совпадении статического уровня воды с уровнем установки воздушного промежутка его формируют под верхней частью заряда из неводоустойчивого ВВ. Для этого вначале формируют нижнюю часть заряда из водостойкого ВВ до уровня воды, затем на него формируют воздушный промежуток из вспененного полистирола.
При превышении статическим уровнем воды уровня установки воздушного промежутка он разместится внутри заряда из водостойкого ВВ, поэтому формируют нижнюю часть заряда из водостойкого ВВ до нижней границы воздушного промежутка. Затем формируют воздушный промежуток из вспененного полистирола расчетной высоты. После достижения заданной высоты воздушного промежутка далее формируют нижнюю часть заряда из водостойкого ВВ до уровня воды и верхнюю часть заряда из неводоустойчивого ВВ, размещая в нем второй боевик 9 на проводнике инициирующего импульса 10. Формируют второй воздушный промежуток 11 между комбинированным зарядом ВВ и забойкой и забойку 12.
Если статический уровень воды восстанавливается после формирования верхней части заряда, то вода лишь заполнит пустоты между гранулами вспененного полистирола.
В случае невозможности осушения скважин для рассредоточения зарядов ВВ нами предложено газогенерирующее устройство [5]. Перед заряжанием обводненной скважины 1 (рис. 6) в нее опускают боевик 2, закрепленный на проводнике инициирующего импульса 3. Затем формируют нижнюю часть заряда ВВ 4, например, засыпкой гранулированного водостойкого ВВ типа гранулотола или гексотала. Возможно также применение эмульсионных ВВ в патронированном виде либо с использованием зарядной машины Формирование нижней части заряда ВВ сопровождается вытеснением воды вверх по скважине, применение гранулированных
ВВ уменьшает высоту столба вытесненной воды за счет частичного поглощения ее в межгранульном пространстве, а эмульсионные ВВ вытесняют всю воду.
В столб воды, вытесненной нижним зарядом ВВ, опускают оболочку 5 с размещенными в ней утяжелителем 6, например один или несколько кусков горной породы, а также химическими реагентами 7, например, карбонатом кальция (известняки, мел, мрамор), карбонатом натрия (сода) или карбонатом калия (поташ) и водным раствором соляной кислоты; карбидом кальция и водой и т.п. Количество химических реагентов, необходимое для заполнения оболочки выделившимся газом, определяется согласно закону Авогадро. Оболочку герметизируют, завязывая ее верхний конец.
Оболочка тонет в воде и размещается поверх нижней части заряда ВВ. По мере протекания реакции газообразования оболочка расширяется в нижней части, где размещен утяжелитель, прижимается к стенкам скважины, образовывая газовый промежуток 8 и вытесняя воду 9 вверх по скважине по мере дальнейшего заполнения оболочки газовым агентом. После завершения реакции газообразования возникает газовый промежуток расчетной высоты и на него формируют верхнюю часть заряда ВВ 10 с боевиком 11 на проводнике инициирующего импульса 12. Если уровень вытесненной воды достиг устья скважины, забойку не делают, если нет
- выполняют забойку.
Результаты теоретических, стендовых, полигонных и промышленных исследований предложенными нами средств и способов рассредоточения зарядов дают возможность широкого применения их на практике. Мы видим реальную потребность в наших технологических и технических решениях на большинстве горных предприятиях Дальневосточного федерального округа, а также других регионов России.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Марченко Л.Н., Кудряшов В.С. Методические указания по применению скважинных зарядов, рассредоточенных воздушными промежутками на открытых горных разработках // Взрывное дело. - М.: Недра, 1963. - № 51/8. - С. 199-206.
2. Баум Ф.А. К вопросу оценки эффективности действия взрыва зарядов с воздушными промежутками // Взрывное дело. - М.: Недра, 1964. - № 54/11. - С. 48-52.
3. Лещинский А.В., Шевкун Е.Б. Рассредоточение скважинных зарядов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2009. - 154 с.
4. Гришин А.Н., Матренин В.А., Мучник С.В. Способ формирования рассредоточенных скважинных зарядов // Горный журнал. - 2007. - № 4. - С. 55-57.
5. Пат. 2306523 Российская Федерация. Способ формирования рассредоточенных зарядов в обводненных скважинах / Лещинский A.B., Шевкун Е.Б., 2007. ЕШ
— Коротко об авторах ---------------------------------
Лещинский А.В. - кандидат технических наук, доцент, Шевкун Е.Б. - доктор технических наук,
Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск. E-mail: adm@igd.khv.ru
