CC BY
38
УДК 556.340.84 С.В. Мучник
ИГД СО РАН, Новосибирск
ВЗРЫВОМЕХАНИЧЕСКИЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК
Одним из направлений решения проблемы повышения качества полезного сигнала на годографе является минимизация шумов сейсмоисточника. Так, при использовании погружного заряда ВВ шумы возникают, в частности, из-за поршневого действия взрывных газов на грунт и грунтовые воды, а также распространения непроизводительных поверхностных волн. Использование накладных зарядов ВВ, размещаемых на поверхности, ликвидирует газопоршневой генератор шума, однако затрудняет прохождение полезного сигнала через приповерхностный грунтовый слой.
Мне представляется целесообразным провести геофизические исследования использования в качестве взрывомеханического сейсмоисточника (далее: «ВМС») патентованного устройства, применяемого в горном деле для усиления действия взрыва скважинных зарядов ВВ в донной части скважин. Он состоит из стального стержня-волновода 2 (рис. 1) и пяты-мембраны 1. Накоплен следующий опыт его применения.
При использовании на рудниках его введение в восстающую скважину осуществляют на шланге пневмозарядной машины. Для этого стержень-волновод 2 (рис. 2,а) вводят в шланг 1 до упора о пяту-мембрану 3, которую вместе с концом шланга покрывают фартуком 4 из 2-3 слоев плотной бумаги от тары ВВ. Шланг с ВМС вводят в скважину до упора пяты-мембраны 3 (рис. 2,б) в ее забой 5. После этого включают пневматическую подачу гранулированного ВВ (например, гранулит АС-8). Поток сжатого воздуха и ВВ выталкивает ВМС из шланга и прижимает внешней стороной пяты-мембраны к забою скважины, при этом стержень-волновод 2 и внутренняя сторона пяты-мембраны оказываются запрессованными в заряд ВВ 6.
Рис. 1. ВМС:
1 - пята-мембрана; 2 - стержень-волновод
Рис. 2. Введение вибратора в скважину (а) и его рабочее
положение (б):
1 - шланг пневмозарядной машины, 2, 3 - стержень-волновод и пята-мембрана; 4 - бумажный фартук; 5 - скважина; 6 - ВВ
При заряжании шпуров патронированным ВВ (на рис. не показано) в торце первого патрона (аммонит № 6 ЖВ) делают прокол шилом взрывника, куда вводят стержень-волновод ВМС до упора пяты-мембраны в торец патрона. Патрон досылают в шпур пятой вперед до упора в забой шпура, после чего заряжание ведут в обычном порядке. Применяют только при прямом инициировании заряда.
Принцип действия ВМС состоит в следующем. Фронт детонационной волны подходит к стержню-волноводу и наносит удар по его плоскому торцу. В стержне возникает ударная волна, которая движется в сторону пяты-мембраны со скоростью, превышающей скорость звука в стали с=5050 м/с. Скорость детонации гранулита АС-8 £>=3000-^3600 м/с. Так как с>Д то ударная волна по стержню обгоняет детонационный фронт, достигает мембраны 1 и вызывает её вибрацию. Благодаря этому к моменту выхода детонационной волны к мембране взрывные газы оказываются в вибрационном поле.
Возбуждаемые мембраной акустические колебания распространяются от фронта детонационной волны из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью. В связи с понижением плотности скорость распространения ультразвука с удалением от мембраны замедляется. Поскольку частота колебаний остаётся неизменной, с падением скорости звука длина волны уменьшается, а амплитуда давлений растет. В результате на некотором удалении от мембраны давление на стенку скважины достигает пика. В этом месте следует ожидать образование кольцевого закола, из которого под действием высокого давления взрывных газов прорастает магистральная трещина, которая, в отличие от обычных радиальных и тангенциальных трещин, ориентирована в плоскости поперечного сечения скважины. Если пята-мембрана колеблется с достаточной интенсивностью, то это должно отразиться на качестве взрывной подготовки горной массы и проработки забоя.
Работа ВМС исследовались на руднике "Николаевский" ОАО
л
"Дальполиметапл" при проведении выработок сечением 15,35 м по сульфидным рудам с коэффициентом крепости />15. При этом применялся метод раздельного взрывания, когда горнопроходческий цикл осуществляется в две смены с первоначальной проходкой прямого призматического вруба 1x1x2,6 м. Контролируемые параметры: а) свободное пространство 1 (рис. 3) врубовой полости, не занятое отбитой рудой 2 (замеры производились через каждые 0,5 м); б) глубина остающейся в забое непроработанной взрывом части врубовых шпуров 3 ("стаканов") с вычислением среднеквадратичного отклонения от среднего значения (по шести верхним доступным для наблюдения шпурам). Объём испытаний — по три контрольных и экспериментальных цикла.
а)
б)
1 2 3 4
Рис. 3. Испытание ВМС в проходческих забоях: характерное положение экспериментальной (а) и контрольной (б) врубовых полостей 1; 2 — навал оставшейся во врубе отбитой руды; 3 — остающаяся в забое 4 вруба непроработанная взрывом часть шпуров ("стаканы")
Испытания показали, что средний объём свободного пространства врубовой полости при использовании ВМС увеличился примерно вдвое (с 0,9
3 3
м до 1,7 м ). Выброс руды из полости вруба при экспериментальных циклах возрос в среднем с 30 % до 57 %.
В серии контрольных циклов глубина замеренных "стаканов" верхних шпуров вруба колебалась в широком диапазоне (от 53 до 116 мм) и составила в среднем 74 мм при среднеквадратичном отклонении 18 мм.
При использовании ВМС разброс замеренной глубины "стаканов" составил от 41 до 69 мм, т.е. значительно уменьшился по сравнению с контрольными циклами. При средней их глубине 47 мм (т.е. примерно 1/3 длины стержня) среднеквадратичное отклонение уменьшилось до 5 мм, что сопоставимо с неровностями края "стакана". В результате в экспериментальной серии забой вруба 4 (рис. 3,а) приобрел плоскую форму, тогда как в контрольной серии он имел характерную выпуклость (рис. 3,б) из-за ухудшения условий отбойки на периферии вруба.
Полученные данные подтверждают высказанное выше предположение о том, что интенсивность колебаний мембраны достаточна, чтобы на определенном расстоянии от неё по всему сечению забоя прошла поперечная трещина, четко определяющая границу разрушения забоя по глубине, и увеличился импульс выталкивания породы из полости вруба.
Наблюдения за работой ВМС в течение двух лет проводились на руднике "3-й Советский" ОАО "Дальполиметалл" при подземной добыче сульфидных (свинцово-цинковых) руд. Согласно типовому проекту, бурение вееров скважин 2 (рис. 4,а) диаметром 51 мм вели с буродоставочных штреков 1. Глубина скважин определялась выбуриванием на контакт рудного тела с вмещающими породами 4 (рис. 4,а,б), но не превышала 15 м. Перебур
скважин за контур 4 не допускался во избежание разубоживания руды пустой породой.
Обычно за один цикл взрывных работ (ВР) осуществляли заряжание и взрывание 2-3 вееров скважин, при этом в некоторых случаях не удавалось произвести отбойку руды по контакту с вмещающими породами. В камере оставался участок неотбитой руды 3, возникала, так называемая, "затяжка" камеры. В этом случае забой останавливали и "затяжку" разрушали зарядами ВВ, размещенными в специально пробуренных скважинах.
Контрольные цифры на время начала испытаний были таковы: при объёме годовой добычи 70000 м руды объём "затяжек", по которым применяли дополнительное бурение, достигал 2400 м , т.е. 3,4 %.
-5
Среднегодовой выход руды с погонного метра скважин составлял 1,08 м /м.
А Б-Б
Ч
а 6 5 Ь 4 3 а
»1
А
Рис. 4. Схема ликвидации затягивания камеры неотбитой рудой ("затяжки") 3 применением ВМС 6: 1 - буродоставочный штрек, 2 - веер скважин, 4 -контур контакта рудного тела с вмещающими породами, 5 - заряд ВВ в
скважине
Целью испытаний опытных партий ВМС было установление эффективности их применения для ликвидации "затяжек" и профилактики их возникновения. Конструкция экспериментального заряда с прямым инициированием представлена на рис. 4,б. Гранулит АС-8 подавали в скважину 5 пневматическим способом. ВМС 6 размещали в забое скважины. Типовая конструкция заряда ВВ (на рис. не показана) отличалась от экспериментальной лишь одним — отсутствием ВМС.
Испытания производили в два этапа. Первоначально ВМС использовали для усиления заряда только при ликвидации уже образовавшихся "затяжек" 3
в контурах abc взрыванием очередного веера скважин. В контрольных циклах ликвидацию производили в обычном порядке.
Результаты испытаний показали, что колебания мембраны происходят настолько интенсивно, что это гарантирует решение задачи одним циклом ВР с отбойкой руды по границам камеры adg. Контрольные циклы обычного взрывания в ряде случаев оказывались неэффективными. При этом объём оставшейся в камере неотбитой руды увеличивался до контура abdeca, что приводило к необходимости остановки забоя и бурения специальных скважин.
В целом по руднику среднегодовой объём
"затяжек"
в
результате
-5
проведения первого этапа испытаний снизился в 3,75 раза — до 640 м (0,9 %
-5
всего объёма годовой добычи). В среднем выход руды возрос до 1,18 м /м (на
Испытания также обоих вариантах
9 %) за счет уменьшения объёмов вторичного бурения. показали, что профилактическое применение ВМС в полностью снимает проблему образования затяжек, случаев их возникновения отмечено не было.
Наблюдения за качеством дробления позволили отметить снижение среднегодового показателя выхода негабарита до 25 %, в абсолютных цифрах — на 3675 м /год. Видимо, улучшение дробления и в этом случае связано с повышенной скоростью отброса руды, отмеченному ранее при испытаниях ВМС в проходческих забоях.
Проведенные исследования показали, по стержню-волноводу на пяту-мембрану при взрыве заряда ВВ передается весьма мощный импульс, достаточный, чтобы резко менять картину разрушения призабойного пространства шпура или скважины. В связи с этим представляется, что ВМС подобной конструкции можно использовать как сейсмоисточник при геофизических исследованиях. В этом случае пяту-мембрану 1 (рис. 5) следует заглублять в грунт на нужную глубину, а стержень-волновод 2 должен выступать из скважины 3 на поверхность 4. На его торце следует размещать заряд ВВ 5. Взрыв этого заряда над поверхностью не создаст шумовых помех для регистрирующей аппаратуры. Взрывной импульс передастся по стержню-волноводу 2 на пяту-мембрану 1, которая, вибрируя, пошлёт полезный сигнал в исследуемый участок горного массива.
© С.В. Мучник, 2006
