CC BY
112
№93/50. "Результаты научных исследований и практического опыта в области взрывного дела". - М.: 2001, с.84-98.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Каркашадзе Г.Г., Трофимов А.С. - Московский государственный горный университет.
------------------------------ © Э.И. Ефремов, А.В. Пономарёв,
В.В. Баранник
Э.И. Ефремов, А.В. Пономарёв, В.В. Баранник
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ ВВ И ОТБОЙКИ ОБВОДНЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
У^азвитие открытого способа добычи полезных ископаемых -Л^ сопровождается не только увеличением глубины карьеров, но и ростом объёмов извлечения крепких и обводнённых горных пород. Если в 70-е годы степень обводнённости горных массивов на железорудных карьерах Кривбасса составляла не более 40-45 % (ЮГОК - 35 %, ИнГОК - 45 %), то в 80-е годы этот показатель, соответственно, возрос до 50 и 65 %, а в 2002 г. степень обводнённости горных пород, например, на СевГОКе достигла 90-92 %, на ИнГО-Ке - 86 %.
Обводнённость горных пород, разрабатываемых на карьерах нерудной промышленности, не превышает 30-40 %, что, наряду с меньшей крепостью пород, предопределяет и ассортимент приме-
няемых взрывчатых веществ (ВВ) и технологию формирования скважинных зарядов ВВ с учетом гидрогеологических особенностей горных массивов.
Ассортимент ВВ, применяемых на открытых горных работах Украины, представлен в основном неводоустойчивыми ВВ. К водоустойчивым относится гранулотол, алюмотол, акватол Т-20Г и некоторые разновидности эмульсионных ВВ (гелекс, эмульхим). Последние выпускают в патронированном виде, что сдерживает их использование на карьерах.
Как показывает анализ состояния взрывных работ (ВР), в 2002 г. на карьерах Украины использовали в основном (около 90 %) гранулотол и тротилсодержащие ВВ. При этом доля неводоустойчивого граммонита 79/21 составила около 39 %. Объём потребления водоустойчивых ВВ (гранулотол и акватол-Т20Г) в целом по Украине составил от 30 до 50 %, простейших неводоустойчивых ВВ -всего 7-8 %, и это лишь благодаря активному использованию ВВ простейшего состава карьерами нерудной промышленности [1].
Проблема взрывной отбойки горных пород с учётом их обводнённости и существующего ассортимента ВВ на определенных этапах решалась по-разному. Для водоустойчивых ВВ практически не существует препятствий для механизированного заряжания обводнённых скважин независимо от уровня воды в скважинах. В этом плане универсальным является гранулотол. При столбе воды в скважине до 3-4 м наиболее эффективным, с экономической точки зрения и с позиции управления разрушением массива пород, являются комбинированные заряды ВВ, когда в нижнюю (обводнённую) часть скважины засыпают гранулотол, а над ним формируют заряд из неводоустойчивых ВВ (граммонит 79/21, игданит и др.). Практика использования комбинированных скважинных зарядов весьма обширна и не вызывает особых сложностей.
При значительной обводнённости пород применяют сплошные заряды ВВ, представленные гранулотолом или акватолом Т-20Г. Использование гранулотола нецелесообразно по двум основным причинам: высокая стоимость ВВ и чрезвычайно негативные экологические последствия (гранулотол - самое дорогое ВВ и самое вредное из всех промышленных ВВ по выбросам вредных газов при взрыве). Горячельющееся водоустойчивое ВВ - акватол Т-20Г (ГЛТ-20) имеет ряд недостатков: высокие потери ВВ при сильной проточности воды в скважинах (ВВ вымывается) и нестабильность
состава (расслаивание), когда в процессе остывания в скважине более плотные частицы тротила оседают в нижнюю часть заряда, а в верхней части заряда сосредотачивается раствор аммиачной селитры (АС) (5-8 % тротила вместо 20 % по рецептуре). Нарушается соотношение компонентов ВВ, и, как следствие, меняется их энергетика и кислородный баланс. При этом снижаются взрывчатые показатели акватола и значительно увеличиваются выбросы вредных газов при взрыве. И если вымывание (потери) ВВ возможно резко уменьшить за счет использования полиэтиленовых оболочек (рукавов), размещая в них акватол, то расслоения колонки заряда ВВ (акватола) избежать полностью очень трудно. В этом плане весьма перспективными являются эмульсионные ВВ, которые дешевле гранулотола, физически стабильны и наиболее "чистые" по выбросам вредных газов при взрывах.
Таким образом, практически не существует проблемы отбойки обводнённых горных пород водоустойчивыми ВВ, главное - это стоимость ВВ и его экологические показатели. В то же время, вопрос использования неводоустойчивых ВВ при отбойке обводнённых горных пород вот уже многие годы - один из актуальнейших и решается с переменным успехом во многих странах. Основные пути решения сводятся к гидроизоляции зарядов, заряжанию скважин с предварительным их осушением, предварительному осушению взрываемых массивов горных пород, пневмозаряжанию скважин и т.д.
Предварительное осушение участка карьера дренажными щелями из взорванной горной массы, скважинами, зумпфами и т.д. не нашло до настоящего времени широкого распространения, хотя в определенных условиях явилось весьма эффективным [2, 3]. Напротив, гидроизоляция неводоустойчивых ВВ за счет использования полиэтиленовых оболочек широко применяется как в зарубежной, так и в отечественной практике.
Из неводоустойчивых ВВ наибольшее распространение при заряжании обводненных скважин в полиэтиленовых оболочках получил граммонит 79/21, который обладает достаточно высокими энергетическими показателями (теплота взрыва, скорость детонации), что позволяет его использовать в породах высокой крепости.
При незначительной обводнённости пород (столб воды в скважине не превышает 1 м) заряжание скважин граммонитом 79/21 возможно без средств водоизоляции. В этом случае нижняя часть
заряда в скважине намокает, однако водонасыщенный заряд грам-монита 79/21 надежно детонирует. При столбе воды в скважине более 1 м целесообразно использование водоизолирующей оболочки. Отличительной особенностью технологии формирования скважинного заряда в полиэтиленовой оболочке с водонасыщенным граммонитом 79/21, разработанной на предприятии "Крив-бассвзрывпром", является то, что с целью повышения плотности заряда ВВ и упрощения процесса заряжания скважин создаётся суспензия гранулированного ВВ в насыщенном растворе АС, которая подается в скважину из дозатора зарядной машины, заполняя полиэтиленовый рукав, опущенный (с грузом) в обводнённую скважину [4]. По данной технологиии на карьерах Кривого Рога были заряжены многие тысячи обводнённых скважин.
Сотрудниками Казахского политехнического института был разработан способ заряжания обводнённых скважин с использованием гидроизолирующих оболочек, основанный на потоплении заряда ВВ плотностью менее 1 кг/м3 за счет подачи в рукав рассола аммиачной селитры. Для механизации процесса заряжания скважин разработано навесное устройство "Талисман" [5].
В условиях Полонского гранитного карьера была успешно испытана технология заряжания обводнённых скважин граммонитом 79/21, разработанная в ИГТМ НАН Украины [6]. При этом ВВ смешивалось с водой в определенном соотношении в усовершенствованном дозаторе и подавалось в полиэтиленовый рукав, размещенный в обводненной скважине.
Технология заряжания обводнённых скважин граммонитом 79/21, предложенная ЗАО "Техновзрыв", предусматривает наличие отверстий в нижней части полиэтиленового рукава, закрепленного на специальном устройстве [7]. Устройство устанавливают над скважиной и в рукав засыпают порцию ВВ, обеспечивающую соскальзывание рукава с ВВ до "зеркала" воды в скважине. При дальнейшей засыпке ВВ в рукав вода через отверстия проникает в рукав и смачивает ВВ. Плотность ВВ возрастает, способствуя погружению рукава в скважину. Эта технология успешно внедрена на карьерах России и Украины.
Широкомасштабное использование граммонита 79/21 при разрушении обводненных горных пород экономически и экологически выгодней, чем применение водоустойчивых ВВ типа гранулотол. Однако решение вопросов экономики ВР и в целом горного пред-
приятия, а также их влияния на окружающую среду должно предусматривать более широкое использование ВВ простейшего состава. Особое значение эти ВВ, обладающие низкой бризантностью (что важно для уменьшения объёма переизмельчения полезного ископаемого), имеют для предприятий нерудной промышленности.
Как известно, масштабы использования ВВ простейшего состава в ведущих горнодобывающих странах мира достигают 85 %. Основное преимущество взрывчатых смесей простейшего состава -это их низкая стоимость, безопасность и простота в обращении. Главный недостаток этих ВВ - их абсолютная неводоустойчивость. ВВ простейшего состава, применяемые в странах СНГ, кроме того, характеризуются низкой физической стабильностью ("ВВ одного дня"), что при производстве крупных массовых взрывов, когда процесс заряжания скважин длится 2-3 дня, недопустимо.
В последние годы были созданы взрывчатые смеси простейшего состава типа Д-5, УП-1, ПВС-1У и др., которые отличаются высокой физической стабильностью (10-15 сут.) и теплотой взрыва (3450-3580 кДж/кг), приближаясь по взрывчатым свойствам к граммониту 79/21. Следовательно, решив проблему заряжания обводнённых скважин взрывчатыми смесями простейшего состава, мы можем значительно расширить область их применения и уменьшить затраты на ВР.
Как отмечалось выше, существует достаточное количество технологий формирования зарядов из неводоустойчивых ВВ в обводнённых скважинах. При этом технологии, эффективно используемые для граммонита 79/21, неприемлемы для ВВ простейшего состава, т. к. попадание воды в заряд ВВ в этом случае приведет к растворению АС, к потере детонационной способности заряда ВВ и даже к отказам.
Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что наиболее обоснованным способом заряжания обводненных скважин неводоустойчивыми ВВ простейшего состава является способ заряжания в полиэтиленовые оболочки с предварительным осушением скважин или пневматического заряжания скважин под "столб воды".
Гидроизоляция заряда неводоустойчивых ВВ без предварительного осушения скважин возможна только в том случае, когда столб воды в скважине не превышает 2,0 м. В связи с тем, что плотность ВВ простейшего состава ниже или близка к плотности воды, про-
цесс потопления рукава с ВВ происходит медленно и зависит от величины зазора между стенкой скважины и рукавом. Существует вероятность порыва рукава, что признано одним из основных недостатков их использования, а также "схлопывания" (пережима) рукава массой воды над зарядом ВВ. Стремление избежать этих моментов приводит к снижению производительности процесса заряжания.
При столбе воды в скважине более 2,0 м весьма эффективным и наиболее распространенным способом формирования зарядов неводоустойчивых ВВ в обводненных скважинах является заряжание с предварительным осушением скважин. Как показывает опыт, откачка воды из скважин осуществляется специальными машинами типа УОС-1, УОС-2, зарядными установками ЗМБС-1, ЗМБС-2 и другими агрегатами [5], а также высокопроизводительными погружными насосами, широко применяемыми в зарубежной практике.
Заслуживает внимания зарубежный вариант использования неводоустойчивых ВВ, основанный на предварительной откачке воды из скважины и засыпке после этого в скважину ANFO, но со специальной добавкой (WR-ANFO), обеспечивающей водоотталкивающий эффект. Вода, поступающая в скважину, взаимодействует со взрывчатой смесью и создаёт толстый слой суспензии (водоотталкивающую эмульсию) по всему периметру заряда. Слой суспензии изолирует от воды основной заряд ВВ [8]. Эффективность данной технологии формирования скважинных зарядов подтверждена на карьерах США, Канады и др. стран.
Карьерами Докучаевского флюсо-доломитного комбината разрабатываются месторождения, представленные обычными и доло-митизированными известняками и доломитами высокой степени трещиноватости. Коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М. Протодьяконова на карьерах комбината колеблется в пределах 6-12 баллов. С увеличением глубины карьеров возрастает обводнённость пород. Водопритоки на отдельных карьерах колеблются от 360 на Доломитном карьере до 1990 м3/ч на Центральном. Доля обводнённых горных пород на карьерах Докучаевского комбината в настоящее время составляет около 10-15 % и постоянно возрастает. Отличительная особенность карбонатных пород карьеров комбината - их крайне неравномерная обводнённость как по площади, так и в вертикальном разрезе, причем резкая изменчи-
вость на коротких расстояниях, даже на водообильных участках, объясняется неравномерностью трещиноватости и закарстованно-сти вмещающих пород.
Основной тип ВВ, применяемых на комбинате для отбойки горных пород, представлен взрывчатым веществом простейшего состава ПВС-1У, который имеет низкую скорость детонации (2,5 км/с), способствующую уменьшению зоны переизмельчения. Последнее - важнейший фактор для предприятий по добыче нерудных полезных ископаемых. Остальные ВВ на комбинате - это граммонит 79/21 (15 %) и аммонит 6ЖВ.
Изучив существующие способы и технологии формирования зарядов неводоустойчивых ВВ простейшего состава при заряжании обводнённых скважин и технические возможности их осуществления, нами было принято решение использовать погружное устройство по откачке воды, аналогичное агрегату УОС [9]. При этом, с целью увеличения производительности откачки воды из скважин, нами было осуществлено усовершенствование погружного устройства за счет установки боковых клапанов специальной конструкции [10]. Основной комплект оборудования агрегата по откачке воды из скважин представлен компрессором, гидро- и пневмосистемами, барабаном для намотки шлангов, гидроприводом барабана, устройством (погружным) для откачки воды из скважины и др. Всё оборудование смонтировано на шасси автомобиля ГАЗ-53-САЗ-535.
Предварительные испытания агрегата по откачке воды из скважин в промышленных условиях на карьерах Докучаевского комбината подтвердили его эффективность и надёжность в работе. Испытания проводились на трех карьерах: Центральном, Доломитном и Восточном. Всего за время предварительных испытаний воду откачали из 389 скважин. Столб воды в скважинах колебался от 1 до 9 м. При этом затраты времени на осушение одной скважины (при столбе воды 4-5 м) составили около 5 мин.
Учитывая сильную трещиноватость пород карьеров комбината, особое внимание было уделено выбору диаметра погружного устройства и диаметру полиэтиленового рукава. Испытания показали, что наиболее обоснованным (при диаметре скважины 220 мм) размером является диаметр погружного устройства 160 мм, что практически исключает заклинивание устройства в скважине.
Не всегда подтверждается утверждение о том, что при заряжании осушенных скважин диаметр рукава "во всех случаях должен
быть больше диаметра скважины". Этот тезис работает только тогда, когда имеет место минимальный приток воды в скважину или он практически отсутствует. В нашем случае после полной откачки воды из скважины до момента заряжания скважины ВВ при сильной трещиноватости пород в скважину поступает вода и столб воды достигает от 0,5 до 1,0 м. Нижний конец рукава с грузом, опущенный в скважину, передавливается водой. Поступающее в скважину ВВ не в состоянии раздвинуть рукав и "зависает" над столбом воды, если диаметр рукава больше диаметра скважины. Появляется "пробка" над пе-ребуром скважины, что предполагает некачественную проработку подошвы уступа. В том случае, когда диаметр рукава будет меньше диаметра скважины, вода из нижней части скважины продвигается по зазору между рукавом и стенкой скважины. Заряд ВВ разместится до самого дна скважины, т. е. формирование скважинного заряда будет соответствовать проекту.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ефремов Э.И., Баранник В.В. Использование неводоустойчивых ВВ при разрушении обводнённых горных пород // Металлург. и горноруд. промышленность № 4, 2002.
2. Повышение эффективности буровзрывных работ на обводнённых горизонтах карьера ИнГОКа / Э.И. Ефремов, В.Ф. Джос, П.А. Рябов и др. // Горный журнал № 2, 1976.
3. Управление разрушением при взрывной отбойке трудновзрываемых и обводнённых горных пород / П.И. Федоренко, А.П. Пашков, О.А. Черконос и др. // Металлург. и горноруд. промышленность № 1, 1994.
4. Бондаренко Н.М., Ткаченко С.С. Заряжание обводнённых скважин неводоустойчивыми ВВ // Горный журнал, № 1, 1988, с.39-40.
5. Заряжание обводнённых скважин неводоустойчивыми ВВ на Соколов-ско-Сарбайском ГОКе / А.Г. Толкушев, М.Е. Нысанбаев, К. Ситников и др. // Горный журнал № 10, 1978.
6. Механизированное заряжание взрывных скважин неводоустойчивыми ВВ для дробления обводнённых пород / Э.И. Ефремов, В.Д. Петренко, А.И. Чайковский и др.// Металлург. и горноруд. промышленность № 2, 1989.
7. Прокопенко В.С. Обоснование эффективности взрыва скважинных зарядов в полимерных оболочках. // Зб. науков. праць. Вісник НТУУ. „КПІ”, серія „Гірництво”. 1999, вип.. 1.
8. Реклам. листок, 10-й семинар "Высокие технологии", США, 2001.
9. КутузовБ.Н. Взрывные работы. - М.: Недра, 1980.
10. Патент Украины № 60642 А. Устройство для откачки воды из скважины / А.В. Пономарёв, Э.И. Ефремов, В.В. Баранник и др. // Бюл. изобретений № 10, 2003.
— Коротко об авторах -------------------------
Ефремов Э.И., Пономарёв А.В., Баранник В.В. - Украина.
---------------------------------- О С.В. Копылов, H.H. Казаков,
С.В. Копылов, Н.Н. Казаков
СХЕМЫ И МОДЕЛИ РАЗВАЛА ОТБИТОЙ ПОРОДЫ НА КАРЬЕРАХ
вопросами моделирования развала взорванной горной мас-Х-#сы занимались многие ученые. Физическая основа этого процесса непосредственно связана с законами баллистики, физикомеханическими свойствами взрываемых пород, технологией буровзрывных работ, теорией разрушения горных пород взрывом. В работах Б.Р. Ракишева, А.А. Черниговского, Г.Г. Ломоносова, Н.Н. Казакова, С.Д. Викторова и др. [1-3] сформулированы основные закономерности перемещения отдельных отбиваемых блоков в теле развала. При расчетах параметров развала используются разные расчетные схемы и различные модели формы развала.
В работе [2] Б.Р. Ракишев выбирает элементарный объем на поверхности откоса уступа. Движение уступа всегда начинается с элемента, расположенного на пересечении ЛНС с линией откоса. По начальной скорости его вылета с учетом угла вылета определяется дальность бросания. По максимальной дальности бросания одного из элементов определяется ширина развала. Высота развала определяется на основе использования треугольной геометрической модели формы поперечного сечения развала.
Казаковым Н.Н. и Викторовым С.Д. [1] предложена геометрическая модель поперечного сечения в виде сложной геометриче-
