CC BY
84
УДК 622.235
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИНИЦИИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ НА КАРЬЕРАХ
TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF UNELECTRIC SYSTEMS INITIATIONS
DOWNHOLE CHARGES ON QUARRY
Сысоев Андрей Александрович
докт. техн. наук, профессор. E-mail: ia_sys@mail.ru Sysoev Andrey A., D.Sc. (Engineering), professor
Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28
Т. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 28 street Vesennyaya, Kemerovo, 650000, Russian Federation
Аннотация. По результатам вероятностного моделирования времени инициирования скважинных зарядов выполнен анализ неэлектрической системы инициирования. При использовании этой системы, характеризующейся разбросом времени срабатывания замедлителей относительно своих номиналов, распределение скважинных зарядов по группам одновременности носит случайный характер. Максимальное количество скважинных зарядов, попадающих в одну группу при типовых схемах монтажа взрывной сети, является статистически устойчивым и зависит от применяемых номиналов замедления и количества продольных рядов скважин. С первых ступеней замедления система в значительной степени перестает выполнять функцию регулятора короткозамедленного взрывания, обеспечивающего качество дробления горной массы, и выполняет только функцию увеличения общей продолжительности взрыва. Количество зарядов, взрывающихся раньше установленной очереди, достигает 20 %.
Abstract. On the basis of probabilistic model of time of initiation of borehole charges analyzed not electric system of initiation It is shown that when using not electric system of initiation which is characterized by dispersion of time of operation of delay mechanisms concerning the face values, distribution of borehole charges on groups of simultaneity has casual character. The maximum quantity of the borehole charges getting to one group at standard schemes of installation of an explosive network is statistically steady and depends mainly on the applied face values of delay and quantity of longitudinal ranks of wells. From the first steps of delay of NESI substantially ceases to carry out function of the regulator of the short-delay detonation providing quality of crushing of mountain weight and carries out only function of increase in the general duration of explosion. Thus the number of the charges which are blowing up before the established turn reaches 20%.
Ключевые слова: карьер, скважинный заряд, неэлектрическая система инициирования
Keywords: quarry, borehole charge, not electric system of initiation
Короткозамедленное взрывание (КЗВ) является средством управления сейсмическим воздействием массовых взрывов и качеством взрывной подготовки горной массы. При реализации КЗВ в настоящее время наибольшее распространение получили неэлектрические системы инициирования скважинных зарядов (НЭСИ), отечественные аналоги которых представлены системами «Искра», «Эдилин» и др.
В состав этих систем входят поверхностные и внутрискважинные устройства задержки инициирующего импульса. Поверхностные устройства с номиналами до 175 мс предназначены для меж-скважинного замедления, внутрискважинные устройства с номиналами от 200 до 500 мс призваны обеспечить отставание взрывания скважинных зарядов от инициирующей взрывной сети и тем самым исключить подбой поверхностной сети кусками породы.
Практически все средства инициирования с за-
медляющим составом имеют отклонения от установленных номиналов. Факт отклонений от применяемых номиналов неоднократно отмечался в научной литературе по результатам инструментальных измерений максимальной скорости смещения в зоне сейсмического действия массовых взрывов. Поэтому основной технологический недостаток неэлектрических систем инициирования заключается в низкой точности момента инициирования взрывов, что далеко не всегда позволяет достигать проектных показателей массового взрыва, как с точки зрения сейсмической безопасности, так и с точки зрения технологической эффективности дробления горной массы.
Одним из путей поиска практических методов управления результатами массовых взрывов является теоретический анализ процесса инициирования системы скважинных зарядов с учетом фактора случайности фактического времени замедления. В настоящей статье на основе вероятностной модели
неэлектрическои системы инициирования выполнены некоторые количественные оценки тех факторов процесса инициирования, которые непосредственно влияют на сейсмическую безопасность и технологическую эффективность массовых взрывов на карьерах.
Можно считать, что фактическое время срабатывания замедляющего устройства t распределено по нормальному закону f(t) относительно его математического ожидания ¡и с некоторым среднеквадратичным отклонением о. В качестве математического ожидания для систем НЭСИ естественно принять номинал замедлителя.
Предлагаемый подход рассматривается на примере типовой схемы взрывания вскрышных уступов, представленной на рис. 1. Система скважин-ных зарядов состоит из М продольных рядов параллельных откосу уступа и N поперечных рядов, параллельных его торцу. Межскважинное замедление в коротких поперечных рядах т\ (мс), замедление между скважинами магистрального продольного ряда гг (мс).
Всей системе зарядов можно сопоставить прямоугольную матрицу
<?ij =^(/-1)0-^+(7-1)0^+сг32 ,
(3)
Т = (t г'
(1)
где tij - нормально распределенная случайная величина соответствующая фактическому времени инициирования заряда, находящегося в г -ом продольном ряду и] -ом поперечном ряду, мс. Особенность неэлектрических систем заключатся в том, что проектное время срабатывания заряда с координатами ¿, у включает в себя сумму замедлений последовательно соединенных поверхностных устройств с номиналами т\ и тг, а также внутрис-кважинное замедление гз. Последние предназначены для внутрискважинного инициирования с замедлением до 500 мс, что предотвращает подбой поверхностной сети.
Гч I I I I I I I Г I 1~~1
■¿I
1
мО ООО О
где <т\, 02, - среднеквадратические отклонения для поверхностных и скважинного замедлителей, мс.
Для неэлектрических систем инициирования встречаются различные оценки величины отклонения фактического времени срабатывания устройств замедления от их номиналов. Наиболее обширные данные, на наш взгляд, представлены в [1], где по результатам измерений установлено, что поверхностные замедлители неэлектрических систем имеют примерно одинаковый интервал разброса и не выходят за пределы технических условий, не превышающих 8-9 % от номинала. Имеются оценки, в соответствии с которыми при использовании систем неэлектрического инициирования фактические значения срабатывания детонаторов-замедлителей отличаются от их номинальных значений в поверхностной взрывной сети от 10 до 20%, а для внутрискважинных детонаторов от 5 до 10% [2].
В дальнейшем принято, что среднеквадратичное отклонение замедлителей в относительных единицах составляет 5 % от номинала. Одно из свойств нормального распределения заключается в том, что с вероятностью 0,95 случайная величина г находится в интервале /1 — 2(7 < £ < /л + 2о . Поэтому с указанной вероятностью максимальное относительное отклонение времени инициирования не превысит 10 %.
Для количественного анализа были приняты исходные данные, характерные для разрезов Кузбасса при транспортной системе разработки (табл. !)•
Таблица 1. Исходные данные для расчета
м N Т\ Т2
5 шт. 30 шт. 42 мс 109 мс
Тз о\ (72 03
500 мс 2,1 мс 5,45 мс 25 мс
Рис. 1. Типовая схема взрывания породных уступов
Таким образом, математическое ожидание времени взрыва ту (мс) скважинного заряда, находящегося в ¿-ом продольном ряду и 7-ом поперечном ряду с учетом линейности нормального распределения составит
Гу =(/-1)Г! +С/-1)Г2 +т3, (2) а соответствующее среднеквадратичное отклонение
Численные значения элементов матрицы (1) могут быть получены с использованием датчика нормально распределенных случайных чисел. Встроенные функции, генерирующие случайные числа, входят в состав большинства математических пакетов программ для ПК, включая MS Excel. Фрагмент матрицы, ограниченный пятью продольными и пятью поперечными рядами скважин представлен в табл. 2.
Таблица 2. Фрагмент матрицы случайных значений времени взрыва скважинных зарядов (мс)
1 2 3 4 5
1 501 594 700 832 900
2 523 659 722 867 1010
3 604 703 823 910 1006
4 647 686 793 929 1098
5 626 747 913 941 1056
Одна из задач, решаемая путем применения ко-роткозамедленного взрывания, в обеспечении сейсмической безопасности массового взрыва. Интенсивность сейсмического воздействия на охраняемые объекты определяется максимальной скоростью смещения массива, которая зависит, в частности, от количества скважинных зарядов, взрывающихся за относительно короткий промежуток времени. Правила безопасности при ведении взрывных работ [3] устанавливают порядок расчета безопасного расстояния по сейсмическому воздействию массового взрыва на охраняемые объекты, в соответствии с которым при взрывании групп зарядов с замедлениями между взрывами в отдельной группе менее 20 мс каждую такую группу следует рассматривать как отдельный заряд с общей массой для группы.
Возможность определения элементов матрицы (1) позволяет моделировать формирование отдельных групп зарядов, замедление между которыми не превышает 20 мс - определять случайное количество зарядов в группе, а также определять количество таких групп с замедлением более 20 мс (т. н. неодновременно взрывающиеся группы зарядов). На рис. 2 показан пример такого случайного объединения зарядов в группы в зависимости от времени протекания процесса инициирования. В данном примере две максимальные группы из восьми скважинных зарядов сформировались на промежутках времени 45 и 63 мс.
Единичные испытания по формированию неодновременно взрывающихся групп зарядов носят, естественно, случайный характер. Однако на основе многократного численного моделирования с использованием ПК можно исследовать статистические закономерности этого процесса. В частности, установлены приближенные формулы для расчета максимального количества скважинных зарядов (Ищах, шт.), объединяющихся в одну группу, и количества неодновременно взрывающихся групп зарядов (С, шт.):
= , 6 -(М+ЗХУУ + бО), (Г, -г2) '
(М-1)г1+(УУ-1)г2 Твзр
О =-=-,
60 60
где Гвзр - продолжительность инициирования всех скважинных зарядов, мс.
Записанные формулы устанавливались для комбинаций поверхностных замедлителей 42, 67, 109 мс, скважинного замедлителя 500 мс и при количестве скважинных зарядов в блоке М = Ъ + 10, N=5-30.
В научных публикациях и в производственных условиях при расчете безопасных по сейсмическому воздействию расстояний при использовании неэлектрических систем инициирования есть примеры [4] определения максимального количества зарядов, попадающих в скользящий интервал 20 мс, на основе его наложения на совокупность дискретных интервалов замедления. Такой подход не учитывает случайный характер времени инициирования зарядов и предопределяет заниженные значения максимального количества в группе, завышенное количество групп и, соответственно, заниженные значения расчетных расстояний опасных по сейсмическому воздействию взрыва.
Проектные схемы с межскважинным замедлением предусматривают определенную очередность взрывания скважинных зарядов таким образом, чтобы каждый заряд работал при наличии двух обнаженных поверхностей, образованных предыдущими зарядами. Другие варианты условий взрыва зарядов менее предпочтительны с точки зрения качества дробления породы. Существование таких вариантов означает, что эти заряды взорвались с опережением предусмотренной для них очереди и не в полной мере реализовали энергию взрывчатого вещества.
Из формулы (3) для расчета среднеквадратичного отклонения следует, что его величина накапливается по мере увеличения количества последовательно соединенных замедлителей, через которые подходит инициирующий импульс к данному заряду. Это означает, что чем больше в схеме взрывания задействовано последовательно соединенных замедлителей, тем в меньшей степени они выполняют роль регуляторов короткозамедленного взрывания, обеспечивающих качественное дробление горной массы.
На рис. 3 показан характер разброса времени замедления взрыва одного из продольных рядов
479 781 971 1201 1382 1619 1802 2077 2256 2501 2727 2946 3187 3332 3560
Время, мс
Рис. 2. Пример формирования неодновременно взрывающихся групп зарядов
зарядов по отношению к зарядам предыдущего ряда при проектном интервале замедления 42 мс. Уже после первых ступеней замедления среднее значение накопленного отклонения становится сравнимым с величиной номинала. После этого поверхностные замедлители начинают играть роль только как средство увеличения общего времени инициирования всей системы зарядов. Основной вклад в разброс времени инициирования вносят скважин-ные замедлители.
150
-50
Номер скважины
Рис. 3. Разброс времени замедления взрыва сква-жинных зарядов продольного ряда по отношению к зарядам предыдущего ряда
Разброс фактического времени замедления поверхностных и скважинных устройств предопределяет нарушение проектной очередности взрыва зарядов. Матрица (1) позволяет определить количество таких зарядов. В табл. 2, где показан отдельный фрагмент этой матрицы, жирным шрифтом выделено время инициирования пяти зарядов, которые взрываются с опережением своей очереди. Пример положения зарядов, взрывающихся с опережением очереди в целом по блоку, показан в табл. 3.
Положение таких зарядов по площади блока является случайным, тогда как процентное содержание относительно общего количества зарядов
при принятых исходных данных составляет 15-20 %.
Основные выводы по выполненному анализу неэлектрических систем инициирования скважинных зарядов включаются в следующем.
1. При использовании НЭСИ, характеризующейся разбросом времени срабатывания замедлителей относительно своих номиналов, распределение скважинных зарядов по группам одновременности носит случайный характер. Максимальное количество скважинных зарядов, попадающих в одну группу при типовых схемах монтажа взрывной сети, является статистически устойчивым и зависит главным образом от применяемых номиналов замедления и количества продольных рядов скважин.
2. Определение количества одновременно взрывающихся зарядов в группах, а также количества неодновременно взрывающихся групп путем наложения скользящего интервала на совокупность дискретных интервалов замедлений без учета их вероятностного характера предопределяет заниженные значения расчетных расстояний опасных по сейсмическому воздействию массового взрыва.
3. С первых ступеней замедления неэлектрические системы инициирования в значительной степени перестают выполнять функцию регулятора короткозамедленного взрывания, обеспечивающего качество дробления горной массы, и выполняет только функцию увеличения общей продолжительности взрыва. При этом количество зарядов, взрывающихся раньше установленной очереди, достигает 20 %.
Таблица 3. Пример случайного положения скважинных зарядов, которые взрываются раньше своей очереди (помечены знаком «+»)
123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
1
2
3
4
5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рубцов С.К., Сравнительный анализ применения неэлектрических систем инициирования на горнодобывающих предприятиях / С. К. Рубцов, В. П. [и др.] // Горный вестник Узбекистана. - 2005. - №2. -С. 61-65.
2. Кузьменко, А. А. О количестве фактически взрывающихся зарядов в одной группе / А. А. Кузь-менко, О. Н. Чалая, Д. В. Хлевнюк // Вюник НТУУ «КП1» - Cepiя «Прництво». - Випуск 26. - 2014 р.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности. Правила безопасности при взрывных работах: сборник документов. Серия 13. Выпуск 14 - М.: ЗАО «Научно-технический центр
исследований проблем промышленной безопасности. 2014. - 332 с.
4. Машуков, И. В. Расчет безопасных расстояний по сейсмическому воздействию массовых взрывов для зданий и сооружений с учетом схемы взрывания скважинных зарядов / И.В. Машуков, В.П. Доманов, А.Г. Серг, Д.А. Егоров // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. -№ 1.2-2013.-С. 6-23.
REFERENCES
1. Rubtsov S.K., Ershov V.P., Sidorov E.YU. The Benchmark analysis of the using not electric systems of blast on mountain enterprise // Mountain herald Uzbekistan. 2005. 2 (21). pp. 61-65.
2. A. Kuzmenko, O. Chala, S. Bogutskiy, D. Hlevnjuk. Definition of a real number of wells blown in one group. Vestnik NTUU "KPI", "Mining". 2014. no. 26. pp. 38-45.
3. Federal norms and rules of industrial safety. Rules of safety during the explosive works: collection of documents. Series 13. Release 14. - M.: Joint stock company "Scientific and technological center of researches of problems of industrial safety. 2014. - 332 p.
4.1.V. Mashukov, V.P. Domanov, A.G.Serg, D.A. Yegorov. Calculation of safe distances for seismic impact off mass explosions for the buildings and constructions with consideration of borehole charge explosion system. Vestnik NC Vostnii. 2013. no. 1.2. pp. 6-23.
Поступило в редакцию 4.02.2016 Received 4 February 2016
