Способ ведения буровзрывных работ

 

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, связано с работами при проходке железнодорожных тоннелей и метро, при добыче поделочных и полудрагоценных камней, при разрушении естественных и искусственных преград. Основной отличительной особенностью заявляемого изобретения является проведение реакций в композициях на основе пероксида водорода с предлагаемыми горючими веществами в дефлаграционном - недетонационном режиме горения в ампуле (сосуде) с композицией, устанавливаемой на дно пробуренного шпура или на подушке из каменной мелочи и воды (если глубина шнура больше 1.5 м) и заглушенного забойкой. Это исключает дробящий эффект (бризантность), практически исключает возможность образования сейсмических волн и тем самым образование трещин и микротрещин как в отделяемой породе, так и в самом массиве, образование и разлет мелких осколков. Параметры процесса поддаются регулированию в широких пределах путем изменения концентрации горючих материалов в композиции, их типа, дисперсности, а также доли гелеобразователя - для композиции на основе гелеобразного пероксида водорода. Применение его позволит повысить производительность труда и снизить себестоимость работ при обеспечении безопасности и экологичности производства. Основу композиции может составлять как жидкий, так и гелеобразный пероксид водорода, в последнем случае в качестве гелеобразователя применяют, например, карбомер-150. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способу ведения буровзрывных работ, применяемых в горнодобывающей промышленности, например при добыче "штучного" камня (блоков), работ, связанных с проходкой железнодорожных туннелей и метро, при разрушении естественных и искусственных преград.

Известен способ ведения буровзрывных работ, заключающийся в использовании реакции взрывчатого превращения вещества (ВВ), помещенного в пробуренные шпуры, герметизированного в них [1]. Использование "штатных" ВВ, например, при добыче блоков, проходке тоннелей шпуровыми зарядами снижает выход кондиционного камня или происходит законтурное разрушение массива вследствие напряжений, возникающих под воздействием детонации (и связанной с ней бризантностью), присущей всякому ВВ в той или иной мере. Применение таких ВВ при разработке драгоценных и полудрагоценных камней (в том числе алмазов) сопровождается не только снижением количества добываемого камня и срока эксплуатации месторождения из-за образования трещин в массиве, но и снижением количества добываемых блоков вследствие образования в них микротрещин. Выход кондиционного камня с применением такой технологии на новом месторождении дает не более 85%. Последнее особенно важно для алмазов, ибо всякие микротрещины переводят сырье из драгоценного в техническое со всеми вытекающими отсюда последствиями. Используемые ВВ с уменьшенной скоростью детонации, следовательно, и меньшей бризантностью, например Гранулен - 1, 2, 3, не исключают полностью этих вредных явлений. Следует особо отметить, что при взрывах 1 кг "штатных" ВВ выделяется от 10 до 170 л ядовитых веществ, основу которых составляют окислы азота и углерода. Это особенно важно при работе в глубоких карьерах, шахтах или тоннелях. Разрушение естественных или искусственных преград (сооружений), особенно в населенных пунктах, "штатными" ВВ требует проведения целого комплекса мероприятий для обеспечения безопасности (разлет осколков, ударная волна, учет розы ветров, оповещение населения и т.п.).

Известен способ ведения таких работ, заключающийся в бурении шпуров по линии намечающегося разрыва, установки и герметизацию в них зарядов жидких или пастообразных реагентов с бездетонационной реакцией разложения, инициируемой разложением запала или введением катализатора [2]. В качестве таких реагентов предлагается использование термически нестабильных жидкостей с экзотермической бездетонационной реакцией разложения: концентрированный пероксид водорода, гидразин, гидразин-гидрат, окись этилена или пасты на их основе. Воспламенение зарядов осуществляется с помощью дымного пороха или введением в жидкость катализатора. Интенсивность газообразования, величину температуры и соответственно энергетический эффект регулируют разбавлением водой - нереагирующей жидкостью. Для снижения потерь энергии скважины заполняют водой.

Применение в качестве реагентов таких веществ, как гидразин или гидразингидрат возможно в некоторых исключительных случаях и нежелательно из-за их чрезвычайной токсичности (канцерогены, первый класс опасности и т.п.). Аммиак как один из продуктов разложения также является ядовитым веществом. Использование окиси этилена, кроме ее наркотического действия, ограничено как низкой ее температурой кипения (+13^oС), так и опасностью образования детонационных смесей с кислородом воздуха [3]. Реакция разложения высоко концентрированного пероксида водорода (ПВ), обеспечивая экологичность продуктов реакции, бездетонационность (и отсутствие бризантности), вместе с тем крайне неэффективна из-за низкой энергетики процесса по сравнению со "штатными" ВВ. С учетом наших климатических условий возможно использование ПВ концентрацией не более 8О% (температура замерзания -25^oС). В таком случае энергетическая эффективность его примерно в 2,5 раза ниже, чем у тола - "штатного" ВВ (296 кДж/кг по сравнению с 730 кДж/кг соответственно) [3]. Применение стандартных воспламенителей с черным порохом для инициирования реакции разложения ПВ сопровождается отказами (не менее 50%) и нуждается в переработке как конструкции воспламенителя, так и его состава. Использование каталитического инициирования процесса разложения ПВ резко усложняет (удорожает) конструкцию и снижает надежность одновременного срабатывания зарядов при групповом их подрыве.

Задачей изобретения является увеличение энергетической и экономической эффективности процесса при сохранении положительных качеств, свойственных прототипу: экологичность и бездетонационность.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение качества буровзрывных работ и снижение стоимости при соблюдении экологичности и безопасности.

Предлагаемый способ ведения буровзрывных работ включает установку, герметизацию зарядов в шпурах и инициирование в них реакции, сопровождающейся выделением большого количества энергии и газов, и отличается тем, что в качестве их источника используется реакция горения жидких или гелеобразных композиций на основе пероксида водорода в дефлаграционном (недетонационном) режиме. В качестве гелеобразователей применяют, например, карбомер-150, в количестве, обеспечивающем заданную эксплуатационниками вязкость (но не более 5%). В качестве горючих элементов композиций используют вещества (материалы), допустимые к длительному хранению в условиях складского хранения при температуре не более 30^oС, в течение 6 мес без заметного разложения, контакту с ПВ и не дающие в результате реакции сгорания токсичных веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые. К таковым можно отнести, например, полиэтилен, полистирол, капрон, алюминий, магний, титан и т.п. Интенсивность газообразования, температура продуктов реакции и энергетическая эффективность ее определяется не только концентрацией ПВ, но и количеством и дисперсностью горючих элементов, а также и количеством гелеобразователя. Согласно проведенным термодинамическим расчетам работоспособность 1 кг самой дешевой и простой композиции на основе 80% ПВ (горючий элемент - полиэтилен - ПЭ) составляет 1044 кДж/кг по сравнению с 730 для тола и 296 кДж/кг для чистой ПВ (см. выше). Скорость газообразования для выбранной композиции определяется дисперсностью горючего элемента (толщиной пленки - в случае применения пленочного материала). Так в рассмотренном выше случае применение ПЭ с толщиной пленки 0,05 вместо 0,2 мм приводит к увеличению скорости сгорания - газообразования примерно в 2,5 раза. Введение в рассмотренную композицию, например, алюминия, может повысить энергетическую эффективность до 1300-1400 кДж/кг и интенсивность газообразования примерно в 2 раза. При этом во всех рассмотренных случаях реакция горения композиций происходит в дефлаграционном режиме - скорость горения не превышает 2 м/с при давлении 70-100 МПа, что далеко от режима детонации. Темп нарастания давления в экспериментальной манометрической "бомбе" не превышал 4000 МПа/с по сравнению с 20-30 МПа/с для чистой ПВ.

Эта характеристика предлагаемого изобретения позволяет использовать композицию для добычи более прочных пород и меньшим количеством, а также для сильно трещиноватых, для добычи которых необходима повышенная скорость газообразования - темп набора давления. Продукты сгорания композиций при выбранном коэффициенте избытка окислителя 1-1,5 отвечают всем санитарным нормам: концентрация СО (единственного ядовитого вещества, которое может образоваться при сгорании композиций) не превышает 9,32 мг/м³ по сравнению с допустимым 20 мг/м³ [4].

Для эффективного использования композиции шпур глубиной более 1,5 м заполняют каменной мелочью и водой (раствором соли в зимний период) до отметки 1-1,5 м от поверхности. На дно шпура или на каменную мелочь (при глубине более 1,5 м) устанавливают ампулу, заполненную композицией, с воспламенительной головкой и проводами, а сверху герметизируют забойкой. Поскольку мощность 1 кг заряда простейшей композиции превышает таковую для чистого ПВ примерно в 3,5 раза, а тола в 1,4 раза, то для выполнения той же самой работы потребуется во столько же раз меньшая масса заряда композиции или частота шпуров (расстояние между шпурами). Примерно 50% стоимости композиций на основе ПВ составляет сам ПВ, что при прочих равных условиях должно снизить расходы примерно в 3-3,5 раза. Увеличение расстояния между шпурами или снижение их диаметра принесет еще больший доход, ибо львиная доля затрат приходится на бурение.

Пример 1. Натурные испытания предлагаемого способа и композиции были проведены на гранитном блоке с размерами: высота камня 3000-3200, длина 2800-2900, ширина 1500-1600. Композиция, применяемая в этих испытаниях, состояла из 80% ПВ (100 г) и 7 г ПЭ, помещенных в алюминиевый корпус и закрытых крышкой с воспламенителем и проводами. Проведено бурение 6 шпуров на глубину 2500 с шагом 400-500, до уровня 1200-1500. Шпуры заполнялись каменной мелочью и водой, на них устанавливались ампулы с композицией, поверх ампул и до поверхности осуществлялась забивка песком и деревянной пробкой, провода от воспламенителей ампул подсоединялись к источнику напряжения < 12 В. После подачи напряжения на ампулы и срабатывания композиции в них блок гранита был расколот по линии шпуров без каких-либо побочных явлений и осложнений: нет трещин и микротрещин (результат дальнейших исследований), полное отсутствие копоти, дыма, запаха, а также осколков и мощной ударной, сейсмической и звуковой волн, характерных для взрыва любого ВВ.

Пример 2. Разделке (разрушению) была подвергнута колонна из литого бетона марки 700, находившаяся в металлической емкости для отбелки целлюлозы в работающем цехе комбината. Она представляла собой цилиндр с диаметром 2000 и высотой 3000 мм. Основными требованиями были: целостность емкости, отсутствие сейсмических воздействий на цеховое оборудование, размер кусков должен быть не более 1000 - определялся размерами люка в емкости. В связи с последним требованием масса композиции (состав: ПВ - 80%, полистирол) была снижена до 70 г (суммарно), а глубина шпуров до 650 мм. Сначала откалывали сегменты 3 шпурами (крайние бурились на расстоянии 200-2500 мм) с двух сторон, затем центральная часть с помощью 4 шпуров и так в 4 этапа послойно. Ампулы с композицией и воспламенителями устанавливались на дно шпуров, поверх них - песчаная забойка с деревянными пробками. После подачи напряжения к воспламенителям ампул происходил откол куска колонны по линии шпуров. Размеры отколотых кусков бетона позволяли извлекать их из емкости. Никаких вмятин и повреждений на внутренней поверхности емкости не обнаружено; сейсмических колебаний почвы (пола) во время проведения работ не ощущалось, в связи с этим трещины в фундаменте, в полу, стенах и стеклах окон отсутствуют.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения при обеспечении безопасности буровзрывных работ (в карьерах, шахтах, тоннелях, в населенных пунктах и т.п.), экологичности и исключении бризантности при отсутствии образования трещин и микротрещин в добываемых блоках и в самом массиве экономически и технически более эффективно по сравнению с прототипом.

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что как ПВ, так и перечисленные выше горючие элементы композиций выпускаются промышленностью без ограничений. Отработана технология безопасного производства, хранения, транспортировки и эксплуатации композиций и устройств, инициирующих реакцию дефлаграционного горения.

Источники информации 1. Справочник взрывника Под ред. Б.Н.Кутузова. - М.: Недра, 1988, с. 511.

2. Патент РФ N 2026987, кл. Е 21 С 37/00. Способ ведения буровзрывных работ /В.Н.Лабейш О.Н., Кирсанов, 20.01.95.

3. Паушкин Я.М. Химия реактивных топлив. - М.: изд-во АН СССР, 1962, с. 436.

4. Росси Б.Д., Поздняков З.Г. Промышленные взрывчатые вещества и средства взрывания. - М.: Недра, 1971, с. 176.

Формула изобретения

1. Способ ведения буровзрывных работ, включающий установку и герметизацию зарядов в шпурах, инициирование в них реакций, протекающих в дефлаграционном режиме горения, сопровождающихся выделением газов, отличающийся тем, что в качестве источника газов используется реакция горения жидких или гелеобразных композиций на основе пероксида водорода, при этом в качестве горючих элементов используют вещества, допущенные к длительному контакту с ним в условиях складского помещения и не образующих ядовитых веществ при сгорании с ним в концентрациях, выше предельно допустимых.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость газообразования, температуру продуктов реакций и их энергетическую эффективность регулируют концентрацией горючего элемента в композиции, его дисперсностью и их комбинацией, а также концентрацией гелеобразователя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гелеобразующего вещества используют, например, карбомер-150 в количестве не более 5%.