Способ ведения буровзрывных работ

 

Изобретение относится к способу ведения буровзрывных работ на карьерах и может найти применение в горнорудной промышленности. Сущность изобретения: способ ведения буровзрывных работ на карьерах включает бурение скважины, формирование колонки комбинированного заряда от дна скважины путем послойного чередования промышленного взрывчатого вещества и аммиачной селитры, причем слои аммиачной селитры размещают между слоями промышленного взрывчатого вещества; устанавливают боевики в слоях комбинированного заряда таким образом, что в результате их срабатывания обеспечивается одинаковое время детонации каждого из слоев, расположенных между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн или торцов комбинированного заряда; из условия равенства времен детонации слоев рассчитывают высоту каждого слоя аммиачной селитры и промышленного взрывчатого вещества, составляющих комбинированный заряд, по формулам, приведенным в описании, при многоточечном одновременном и разновременном инициировании. Изобретение обеспечивает повышение эффективности процесса дробления горной массы за счет увеличения кпд взрыва и снижения выхода негабаритной крупнокусковой фракции. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ведения взрывных работ и может быть использовано при добыче полезных ископаемых на открытых горных и подземных работах.

Одним из условий эффективного дробления неоднородной горной среды взрывом является многократное нагружение ее в различных точках горизонтальной и вертикальной плоскостей разрушаемого объема. Оно достигается как путем выбора схем расположения и последовательности взрывания зарядов, так и применением различных конструкций их, в частности комбинированных зарядов.

Эффективность применения заряда из любого взрывчатого вещества (ВВ) определяется полнотой протекания процесса детонации. При инициировании низкочувствительных взрывчатых веществ особенно важно обеспечить помимо полноты протекания реакции взрывчатого разложения также устойчивость детонации по всей длине скважинного заряда.

Наиболее эффективное инициирование зарядов возможно при условии совпадения направлений распространения детонационной волны в инициирующем и инициируемом ВВ.

В случае опасности разделения зарядов ВВ или разрыва их колонки в скважине располагают несколько боевиков, число которых в каждом заряде зависит от чувствительности инициируемого вещества, глубины скважин и их расположения относительно друг друга.

Место расположения боевика в заряде ВВ влияет на амплитуду и форму распространяющейся в массиве горных пород волны механического напряжения. Максимальное механическое напряжение возникает в направлении распространения детонационной волны по ВВ. Энергия и форма волны напряжения зависят от скорости ее распространения в горной породе и от скорости детонации ВВ.

При использовании низкочувствительных ВВ применяют способ множественного или многоточечного инициирования зарядов, обеспечивающий устойчивую детонацию по всей длине заряда.

Известен способ ведения буровзрывных работ, заключающийся в бурении скважины, заполнении ее различными типами взрывчатого материала, забойке инертным материалом и инициировании, при котором в нижнюю часть скважины размещают высокобризантное взрывчатое вещество с высокой скоростью детонации, имеющее высокоотрицательный кислородный баланс, затем - аммиачную селитру (АС), а сверху ее - высокобризантное взрывчатое вещество, аналогичное взрывчатому веществу в нижней части скважины, и сверху его - снова аммиачную селитру, масса и длина которой в два раза меньше массы и длины основного и дополнительного зарядов ВВ, вместе взятых, при этом масса и длина аммиачной селитры, расположенной между основным и дополнительным зарядами ВВ равна массе и длине основного и дополнительного зарядов ВВ, вместе взятых, причем общая масса и длина аммиачной селитры в скважине по отношению к общей массе и длине промышленного ВВ в основном и дополнительном зарядах ВВ составляет 2/3, причем взрывание основного и дополнительного зарядов ВВ осуществляют одновременно (пат. России 2043601).

Недостатком конструкции данного комбинированного заряда является то, что для его инициирования требуется мощный инициатор (детонирующий шнур с высокой плотностью ВВ и тротиловые шашки), а также мощное ВВ в качестве основного заряда, так как 2/3 комбинированного заряда составляет низкоэнергетическая АС с малой скоростью детонации.

Известен также способ взрывания горных пород (пат. России 2060447), включающий бурение скважин, размещение в них рассредоточенных (комбинированных) зарядов ВВ, установку боевиков в каждом заряде, промежутки между зарядами заполняют аммиачной селитрой, длину промежутков принимают равной четырем диаметрам скважины, а расстояние от промежутков до боевиков в смежных с промежутками зарядах, расположенных более близко к устью скважины, принимают равным где l₁ - расстояние от промежутков до боевиков в смежных с промежутками зарядах, более удаленных от устья скважины, м; К - отношение скорости детонации детонирующего шнура к скорости детонации промышленного взрывчатого вещества; l_n - длина заряда аммиачной селитры, м.

Указанный способ ведения взрывных работ принят авторами за прототип.

При ведении взрывных работ по способу-прототипу эффективность разрушающего действия скважинного заряда аналогична эффективности сплошного заряда той же длины из промышленного ВВ, при этом достигается только экономия промышленного ВВ за счет замены его части на аммиачную селитру.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности дробления горной массы за счет увеличения кпд взрыва, сокращения объема переизмельчения, снижения выхода негабаритной крупнокусковой фракции, управления равномерностью дробления горного массива, обеспечения условий незатухающего режима детонации аммиачной селитры, снижения стоимости, расширение объема и области применения комбинированных зарядов.

Преимуществом комбинированных зарядов является то, что при формировании их при различных сочетаниях типов ВВ по величине и мощности можно дифференцированно распределить энергию взрыва по высоте разрушаемого уступа пород.

Цель была достигнута тем, что колонка комбинированного заряда формируется от дна скважины путем послойного чередования промышленного взрывчатого вещества и аммиачной селитры, причем слои аммиачной селитры размещаются между слоями промышленного взрывчатого вещества; устанавливаются боевики в слоях комбинированного заряда (аммиачной селитре, промышленном ВВ) таким образом, что в результате их срабатывания обеспечивается одинаковое время детонации каждого из слоев, расположенных между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн или торцов комбинированного заряда: t₁₍₁₎=t₁₍₂₎= t₂₍₁₎= t₂₍₂₎= . ..t_n(i); из условия равенства времен детонации слоев рассчитывается высота каждого слоя аммиачной селитры и промышленного ВВ, составляющих комбинированный заряд, по формуле при одновременном многоточечном инициировании или по формуле при многоточечном инициировании с замедлением, задаваясь высотой одного из слоев промышленного ВВ или аммиачной селитры, где t₁₍₁₎, t₂₍₁₎ - время детонации слоев между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн, расположенных к устью скважины, с;
t₁₍₂₎, t₂₍₂₎ - время детонации слоев между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн, расположенных от устья скважины, с;
Δtn_(i+1)- время замедления последующего боевика по отношению к предыдущему по направлению от устья скважины, с;
t_n(i) - время детонации слоя комбинированного заряда, расположенного к устью (i=1) или от устья (i=2) скважины от n-го боевика;
L_n(i) - высота слоя комбинированного заряда в направлении к устью (i=1) или от устья (i=2), детонирующего со скоростью детонации Dn(i), м/с, расположенного между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн или торцем заряда, м;
n - порядковый номер боевика в направлении от устья скважины.

При этом высота слоев промышленных взрывчатых веществ, смежных с аммиачной селитрой, может быть одинаковой, различной; промышленные взрывчатые вещества могут использоваться по высоте колонки скважинного заряда одной и той же или разных марок; боевики могут располагаться по высоте в верхних, или нижних, или в средних частях слоев промышленного взрывчатого вещества или в слое аммиачной селитры; в качестве боевиков могут использоваться электродетонаторы, обеспечивающие одновременность инициирования всех слоев комбинированного заряда или детонирующие шнуры, не передающие боковой импульс ВВ и АС в скважинном заряде, инициирующие слои комбинированного заряда от промежуточных детонаторов (Т-400Г, ТГ-500 и т.д.), неодновременно - с замедлением.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена схема формирования комбинированных зарядов в зависимости от высоты слоев промышленного ВВ, аммиачной селитры, размещения боевиков:
фиг. 1а - одновременное инициирование всех слоев, например, мгновенными электродетонаторами;
фиг.1б - инициирование с замедлением, например, с использованием детонирующих шнуров.

Обозначения: 1 - промышленное ВВ; 2- аммиачная селитра; 3 - боевик; 4 - детонирующий шнур; 5 - скважина; 6 - забойка. ₁₍₁₎, L₂₍₁₎, L₃₍₁₎ - высоты слоев промышленного ВВ и аммиачной селитры, расположенные к устью от центра боевика до плоскости встречи детонационных волн или верхнего торца комбинированного заряда; L₁₍₂₎, L₂₍₂₎, L₃₍₂₎ - высоты слоев промышленного ВВ, аммиачной селитры, расположенные от центра боевика до плоскости встречи детонационных волн или нижнего торца комбинированного заряда в направлении от устья скважины.

n=1, n=2, n=3 - порядковые номера боевиков от устья скважины;
i=1 слой промышленного ВВ или аммиачной селитры в направлении к устью;
i= 2 слой промышленного ВВ или аммиачной селитры в направлении от центра боевика в сторону противоположной устью скважины;
А - плоскость встречи детонационных волн.

Высоты слоев промышленного ВВ, аммиачной селитры рассчитывают по следующей схеме (фиг. 1a - одновременное инициирование всех слоев, например, мгновенными электродетонаторами.

Поскольку t₁₍₁₎=t₁₍₂₎=t₂₍₁₎=t₂₍₂₎=t₃₍₁₎=t₃₍₂₎, то

Зная скорости детонации промышленного ВВ и аммиачной селитры, задаваясь высотой одного из слоев, составляющих комбинированный заряд, рассчитывают высоты остальных слоев комбинированного заряда.

При использовании инициирующей системы с замедлением расчет ведется по схеме фиг.1б


Δt₂, Δt₃- время замедлений при инициировании боевика n=2 по отношению к боевику n=1 и боевика n=3 по отношению к боевику n=2.

Так как время детонации каждого из слоев одно и тоже, то
t₁₍₁₎=t₁₍₂₎= t₂₍₁₎= t₂₍₂₎= t₃₍₁₎=t₃₍₂₎, следовательно,

Задаваясь высотой одного из слоев, составляющих комбинированный заряд, зная скорость детонации аммиачной селитры, промышленного ВВ, время замедления электродетонатора или скорости детонации детонирующего шнура, если инициирование ведется с его использованием, рассчитываются высоты остальных слоев, составляющих колонку комбинированного скважинного заряда.

В заявляемом способе участки (слои) аммиачной селитры всегда размещаются между слоями промышленных ВВ.

Комбинированные заряды формируют в процессе раздельного заряжания скважин из промышленных ВВ и аммиачной селитры. Возбуждение детонации комбинированного заряда осуществляется боевиками (электродетонаторами, или детонирующим шнуром совместно с шашками-детонаторами, или другими средствами инициирования), размещаемыми в верхней, нижней, средней частях промышленного взрывчатого вещества, в слоях аммиачной селитры в зависимости от проекта взрыва. Детонация слоев (участков) аммиачной селитры, промышленных взрывчатых веществ вызывается детонационными волнами боевиков или пограничных зарядов в зависимости от места расположения боевиков.

Заявляемое техническое решение является новым, так как оно не известно из уровня техники ведения взрывных работ. Оно имеет изобретательский уровень, так как для специалиста предлагаемое решение формирования комбинированного заряда не следует из уровня техники. Оно является промышленно применимым при ведении взрывных работ методом скважинных зарядов.

Преимущество заявляемого способа ведения буровзрывных работ состоит в следующем.

На форму и длительность взрывного импульса оказывают влияние все свойства ВВ, но наибольшее влияние оказывает скорость детонации и ширина зоны химических реакций. С уменьшением скорости детонации уменьшается пиковое давление головной части импульса, но при этом увеличивается длительность его нарастания. Увеличение ширины зоны химической реакции приводит к уменьшению пикового давления головной части импульса взрыва и увеличению его длительности.

Аммиачная селитра имеет наиболее низкую скорость детонации по сравнению со всеми промышленными ВВ и наибольшую ширину зоны химических реакций. Поэтому головная часть ее импульса взрыва имеет минимальное пиковое давление и максимальную длительность его достижения, что улучшает качество дробления горного массива.

Максимальный эффект при взрыве комбинированных зарядов будет в том случае, когда свойства ВВ в парах различаются значительно, что позволяет реализовать эффект встречи детонационных волн. При этом наблюдается пульсация продуктов взрыва, обеспечивающая максимально неоднородное поле напряжений. Импульс взрыва каждой части заряда может иметь несколько максимумов. Подбирая типы ВВ и оптимальное соотношение их в парах, можно за счет рационального размещения в комбинированном заряде боевиков обеспечить импульсное (многократное) нагружение массива и регулировать (управлять) кусковатостью горной массы без существенного роста энергозатрат.

В качестве компонентов комбинированного заряда предпочтительно применять ВВ с существенно различающимися детонационными характеристиками, кислородным балансом, имеющих различную чувствительность к инициирующему импульсу. Этими требованиями в наибольшей мере обладают не чувствительные к инициированию детонирующим шнуром гранулированные промышленные взрывчатые вещества различной мощности и кислородного баланса, аммиачная селитра, детонация которой протекает в низкоскоростном режиме.

Заявляемый способ ведения буровзрывных работ обеспечивает основной технический результат изобретения.

Переменный режим детонации по высоте колонки скважинного комбинированного заряда приводит к увеличению начальной скорости смещения массива с существенным повышением интенсивности и равномерности дробления породы.

Заявляемое авторами условие завершения детонации в каждом слое за один и тот же промежуток времени исключает затухание детонации на участке аммиачной селитры с низкой скоростью детонации.

Благодаря увеличению продолжительности детонации комбинированного заряда и удлинению времени воздействия взрыва на массив при практически одинаковом общем запасе энергии ВВ, по сравнению с колонковым зарядом из однородного состава ВВ возрастает импульс действия взрыва, повышается коэффициент его полезного действия, эффективность дробления массива горных пород.

Заряжание скважин осуществляется вручную или механизированным способом с помощью зарядных машин, обеспечивающих раздельную подачу гранулированных ВВ и аммиачной селитры в скважины.

В комбинированных скважинных зарядах используются гранулированные плотная и пористая аммиачная селитра и промышленные ВВ, выпускаемые в России.

Расчет высоты слоев промышленного ВВ и аммиачной селитры комбинированного заряда в соответствии с предлагаемым изобретением при условии равенства времен детонации каждого слоя проводится следующим образом.

Пример 1 (фиг.2а):
- комбинированный заряд - трехслойный: гранулотол - аммиачная селитра (AC) - гранулотол;
- одновременное двухточечное инициирование (2 боевика);
- А - плоскость встречи детонационных волн;
- D_ВВ=4,0 км/с - скорость детонации гранулотола (ГОСТ 25857-83);
- D_АС=2,0 км/с (Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И. Романов. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра, 1973, с.108-109);
- L₁, L₂ - высоты слоев гранулотола к устью и от устья скважины соответственно, м;
L_AC - высота слоя аммиачной селитры, м.

Согласно прелагаемому изобретению

Задаваясь высотой любого из слоев гранулотола, например, слоя к устью скважины (L₁=4м), рассчитываются высоты остальных слоев комбинированного заряда:


Пример 2 (фиг.2б):
- комбинированный заряд - трехслойный: гранулотол - аммиачная селитра - гранулотол;
- двухточечное инициирование с использованием в качестве замедлителя одной нити детонирующего низкоэнергетического шнура, например, ДШЭ-6ВДТ (ТУ 84-07513406-034-94), не передающего боковой детонационный импульс гранулотолу и аммиачной селитре;
- скорости детонации гранулотола (D_BB), аммиачной селитры (D_AC) - аналогичны примеру 1; скорость детонации детонирующего шнура D_ДШ=7,0 км/с;
- обозначение L₁, L₂, L_АС, А - аналогичны примеру 1.

Согласно предлагаемому изобретению

где Δt - время замедления, с;

следовательно,


В лабораторно-полигонных и промышленных условиях проверена работоспособность заявляемых комбинированных зарядов при ведении взрывных работ.

При формировании скважинных зарядов проведены расчеты высот промышленных ВВ и аммиачной селитры в зависимости от расположения боевиков при соблюдении условия равенства времен детонации каждого слоя, входящего в состав комбинированного заряда. Варианты конструкций комбинированных зарядов, проверенные в процессе испытаний на карьерах, приведены - при одновременном взрывании боевиков на фиг. 3:
- варианты а, б, в, г, д, е при установке боевиков в различных слоях комбинированного заряда:
а-в нижней части слоев промышленного ВВ;
б-в верхней части слоев промышленного ВВ;
в-в нижней и средней частях слоев промышленного ВВ;
г-в в верхней и средней частях слоев промышленного ВВ;
д-в в средних частях слоев промышленного ВВ и аммиачной силитры;
е-в нижней, средней и верхней частях слоев промышленного ВВ.

При одной и той же конструкции комбинированного заряда в зависимости от места установки боевика плоскость встречи детонационных волн (А) во взрываемой скважине по ее высоте различна (фиг.3-а,б), что повышает интенсивность и равномерность дробления взрываемой породы.

Варианты конструкций комбинированных зарядов, инициируемых боевиком с использованием детонирующего шнура, приведены на фиг.4 - варианты а, б, в, г, д при установке боевиков в различных слоях комбинированного заряда:
а-в нижней и средней частях слоев промышленного ВВ;
б-в нижней и верхней частях слоев промышленного ВВ;
в-в нижней, средней и верхней частях слоев промышленного ВВ;
г-в в средних частях промышленного ВВ;
д-в - верхних частях слоев промышленного ВВ.

Предлагаемые комбинированные заряды использовались для заряжания шпуров и скважин различного диаметра в породах различной крепости.

Схема взрывания комбинированных зарядов зависит от условий взрывания и требований к качеству взорванной массы. Пример схемы группового взрывания скважин с комбинированными зарядами согласно изобретению приведен на фиг.5.

Ведение буровзрывных работ по предлагаемому способу позволило повысить равномерность дробления горной породы за счет снижения в основном выхода негабаритной (крупнокусковой) фракции на 12-17%, увеличить выход горной массы с 1 м скважины на 4-7%, улучшить проработку подошвы уступа. Это позволило снизить затраты на взрывные работы, повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования. По предлагаемому способу взорвано 10,5 млн. м³ горной породы.

В процессе проведения взрывов отказов и аномальной работы комбинированных зарядов не зафиксировано.

Формула изобретения

1. Способ ведения буровзрывных работ, включающий бурение скважин, размещение в них комбинированных зарядов, колонки которых формируют от дна скважины путем послойного чередования промышленного взрывчатого вещества и аммиачной селитры, слои которой размещают между слоями промышленного взрывчатого вещества, установку боевиков, забойку инертным материалом и инициирование, отличающийся тем, что боевики устанавливают в слоях комбинированного заряда таким образом, что в результате их срабатывания обеспечивается одинаковое время детонации каждого из слоев, расположенных между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн или торцов комбинированного заряда: t₁₍₁₎= t₁₍₂₎= t₂₍₁₎= t₂₍₂₎= . . . = t_n(i); из условия равенства времен детонации слоев рассчитывают высоту каждого слоя аммиачной селитры и промышленного взрывчатого вещества, составляющих комбинированный заряд, по формуле

при одновременном многоточечном инициировании или по формуле

при многоточечном инициировании с замедлением, задаваясь высотой одного из слоев промышленного взрывчатого вещества или аммиачной селитры,
где t₁₍₁₎, t₂₍₁₎ - время детонации слоев между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн, расположенных к устью скважины, с;
t₁₍₂₎, t₂₍₂₎ - время детонации слоев между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн, расположенных от устья скважины, с;
Δt_n(i+1) - время замедления боевика по отношению к предыдущему по направлению от устья скважины, с;
t_n(i) - время детонации слоя комбинированного заряда, расположенного к устью (i= 1) или от устья (i= 2) скважины, от n-го боевика;
L_n(i) - высота слоя комбинированного заряда в направлении к устью (i= 1) или от устья (i= 2), детонирующего со скоростью детонации Dn(i), м/с, расположенного между центром боевика и плоскостью встречи детонационных волн или торцом заряда, м;
n - порядковый номер боевика в направлении от устья скважины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смежные с аммиачной селитрой высоты слоев промышленных взрывчатых веществ берутся равными.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смежные с аммиачной селитрой слои промышленного взрывчатого вещества берутся разной высоты.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что слои промышленного взрывчатого вещества берутся из взрывчатых веществ разных марок.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что боевики устанавливаются в верхней части слоев промышленного взрывчатого вещества.

6. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что боевики устанавливаются в нижней части слоев промышленного взрывчатого вещества.

7. Способ по любому из пп. 1, 2, 4 и 5, отличающийся тем, что боевики устанавливаются в промышленном взрывчатом веществе в нижней или верхней части слоев меньшей высоты или в середине слоя большей высоты.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что боевики устанавливаются в слоях аммиачной селитры.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что боевики устанавливаются на границе слоев промышленного взрывчатого вещества и аммиачной селитры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5