Формирование газовых промежутков во взрывных скважинах Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.В. Лещинский, Е.Б. Шевкун, 2007

УДК 622.014.3:502.76

А.В. Лещинский, Е.Б. Шевкун

ФОРМИРОВАНИЕ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИНАХ

щ практика работы горных предприятий доказала целесооб-

-М.Л. разность применения воздушных промежутков в скважинных зарядах. Они используются как в самом заряде ВВ, так и между зарядом и забойкой [1]. Однако создание воздушного промежутка затруднено, поскольку его обычно формируют опусканием деревянной рейки с кружками или крестовинами на концах, помещением бумажных пыжей, использованием бумажных цилиндров и т.п. Поэтому создание воздушных промежутков в обводненных скважинах требует применения специальной технологии.

Большинство месторождений полезных ископаемых залегает в сложных гидрогеологических условиях, и разработке устройств для создания воздушных полостей в обводненных скважинах уделялось определенное внимание. Так, в работе [2] предложено устройство в виде пустотелого цилиндра со сплошными торцами, изготовленного из водонепроницаемого материала, например, из пенопласта, с наружным диаметром, несколько меньшим диаметра скважины. Погружение его в обводненную скважину достигается за счет приложения осевого усилия, создаваемого грузом, подвешенным к гибкому тросу, а для предотвращения всплытия цилиндра на поверхность применяется заклинивающее устройство. Затем в скважину помещают необходимое количество ВВ и забоечный материал.

Наиболее серьезным недостатком рассмотренного устройства является необходимость применения груза значительной массы. Поэтому предложены способы создания воздушных промежутков в обводненных скважинах с помощью устройства, состоящего из надувной емкости с клапаном и электромагнитом [2] или эластичной емкости, заполненной воздухом, с муфтой и пневматическим дистанционным разъемным насадком. Основным недостатком приведенных устройств является сложность конструкции.

Нами предлагается новый способ формирования рассредоточенных зарядов при помощи мягкой оболочки, заполненной газом. В скважину 1 (рис. 1) опускают боевик 2, закрепленный, например, на ДШ или волноводе 3 и формируют нижнюю часть заряда ВВ 4. Затем на нижнюю часть заряда ВВ 4 опускают мягкую оболочку 5, выполненную, например, из полиэтиленовой пленки.

Предварительно внутрь оболочки размещают химические реагенты 6, например, карбонат кальция (известняки, мел, мрамор), карбонат натрия (сода) или карбонат калия (поташ) и водный раствор соляной кислоты; карбид кальция и воду и т. п. Оболочку герметизируют, завязывая ее верхний конец. По мере протекания реакции газообразования оболочка расширяется, прижимается к стенкам скважины, образовывая газовый промежуток 7. После завершения образования газового промежутка формируют верхнюю части заряда ВВ 8 с боевиком 9 на ДШ или волноводе 10 и забойку скважины 11.

Высота оболочки в заряде должна быть несколько большей высоты промежутка в заряде, т. к. на оболочку будут действовать нагрузка от вышележащего заряда и забойки, и оболочка просядет. Определим величину этой просадки. Давление газа в оболочке до приложения нагрузки равно атмосферному ра. После приложения нагрузки верхнего слоя ВВ и забойки объем V оболочки с газом уменьшится на Д V, а давление в оболочке увеличится до значения р, равного сумме величин атмосферного давления и давления вышележащих слоев. В соответствии с законом Бойля-Мариотта можно записать:

V Ра = (У -АУ) р ,

или в развернутом виде

пВ

2 (nD \ пВ2

* Ра =

V 4

к--------------АН

Р

отсюда

4

4

Рис. 1. Рассредоточение заряда ВВ газовьш промежутком: а - размещение нижней части заряда ВВ; б - размещение на нижней части заряда ВВ оболочки с химическими реагентами; в - заряженная скважина с газовым промежутком

где D - диаметр скважины; h - высота газовой оболочки в скважине, Дh - просадка оболочки после приложения нагрузки. Заданная высота газового промежутка Нп равна: h = h -АН .

п

Согласно данным, приведенным в [3], на оболочку будет действовать сила тяжести вышележащих слоев высотой примерно 4

диаметра заряда с усилием порядка 30 Н для скважин диаметром 160 мм. Для промежутка высотой 1 м просадка газовой оболочки составит 15 мм, поэтому с достаточной точностью можно принимать высоту оболочки в скважине равной высоте воздушного промежутка.

Количество химических реагентов, необходимое для заполнения выделившимся газом оболочки объемом V, определится следующим образом. Согласно закону Авогадро, мольный объем любого газа при нормальных условиях равен 22,4 л. Количество твердого реагента (карбида или карбоната) рассчитывается по формуле

м М- V

М„ =-

22,4•К

где Мм - мольная масса карбида или карбоната, г/моль; К - коэффициент, учитывающий чистоту материала. Для чистого вещества К = 1, с увеличением объема примесей значение его снижается.

Для примера возьмем в качестве реагентов карбид кальция и воду, с помощью которых необходимо создать воздушный промежуток высотой 1 м в скважине диаметром 160 мм, т. е. заполнить оболочку объемом 20 л. Для получения газа ацетилена С2Н2 должна пройти реакция

СаС2 + 2Н20 = Са (ОН )2 + С2Н2

Мольная масса карбида кальция Мм = 64 г/моль, примем коэффициент, учитывающий чистоту материала, равным единице, тогда для получения 20 литров ацетилена карбида кальция должно быть, г:

М, = = 57,1.

* 22,4•1

Мольная масса воды, необходимой для полной нейтрализации одного моля карбида кальция, равна 36 г/моль. Таким образом, во-

3 6

ды должно быть не менее — = 0,506 от массы карбида кальция и

64

для рассматриваемого примера 28,9 г.

Приведенные выше расчеты сделаны для нормальных условий, однако заполнение оболочки газом в карьере проводится в условиях, отличных от нормальных (нормальными условиями считаются температура 273,15 К и давление 101,325 кПа). Для приведения

объема газа, рассчитанного для нормальных условий, к реальному объему, можно пользоваться уравнением, объединяющим газовые законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Проведенные наблюдения показали, что температуры воздуха в скважинах зимой и летом колеблется в пределах от +2 до +7 С, что дает отклонение от расчетов при нормальных условий менее 2 %, о незначительном влиянии изменения давления было сказано выше, поэтому расчеты количества реагентов, сделанные для нормальных условий, вполне применимы и для реальных условий работы на карьерах.

Оболочку следует выполнять цилиндрической формы из достаточно прочной полиэтиленовой пленки толщиной 150...200 цк диаметром на 10.15 % больше диаметра скважины.

Таким образом, в сухих скважинах рассредоточение заряда ВВ можно выполнять установкой мягкой оболочки, равной высоте воздушного промежутка и заполненной газом под давлением, равным или несколько большим атмосферного.

Рассмотрим возможность рассредоточения зарядов ВВ газовыми промежутками в обводненных скважинах.

Перед заряжанием обводненной скважины 1 (рис. 2) в нее опускают боевик 2, закрепленный, например, на ДШ или волноводе 3. Затем формируют нижнюю часть заряда ВВ 4, например, засыпкой гранулированного водостойкого ВВ типа гранулотола или гек-сотала.

После формирования нижней части заряда ВВ и вытеснения им воды в скважину опускают оболочку 5. Предварительно внутрь оболочки размещают утяжелитель 6, например один или несколько кусков горной породы, а также химические реагенты 7 и оболочку герметизируют. Оболочка тонет в воде и размещается поверх нижней части заряда ВВ. По мере протекания реакции газообразования оболочка расширяется, прижимается к стенкам скважины, образовывая газовый промежуток 8 и вытесняя воду 9 вверх по скважине.

На рис. 3. показан процесс формирования газового промежутка в стеклянной трубе диаметром 79 мм в лабораторных условиях. При контакте газовой оболочки со стенками скважины

а б в г

Рис. 2. Рассредоточение заряда ВВ газовым промежутком: а - размещение нижней части заряда ВВ; б - размещение на нижней части заряда ВВ оболочки с утяжелителем и химическими реагентами; в - скважина с газовым промежутком перед формированием верхней части заряда; г - заряженная скважина с газовым промежутком

возникает ее трение о стенки скважины, препятствующее выталкиванию оболочки из воды.

После завершения образования газового промежутка формируют верхнюю части заряда ВВ 10 (рис. 2) с боевиком 11 на ДШ или волноводе 12. Если уровень вытесненной воды достиг устья скважины, забойку не делают, если нет - выполняют забойку.

В зависимости от степени обводненности скважины давление вышележащих слоев на газовую оболочку будет меняться. Если уровень воды ^ находится не выше газового промежутка, то величина этого давления р равна:

Рис. 3. Процесс формирования газового промежутка в стеклянной трубе в лабораторных условиях

Р 4 Р

Р ~ ¥ ~ ~лЁ? + Ра, ()

где Р - давление верхней части заряда ВВ и засыпной забойки на газовую оболочку, Н; ¥ - площадь поперечного сечения скважины, м2, ра - атмосферное давление, Па.

На рис. 4 представлена зависимость давления вышележащих слоев на газовую оболочку в зависимости от уровня воды в скважине глубиной 14,4 м, диаметром 0,16 м. Высота нижней части заряда составила 5,8 м, высота газового промежутка - 1,0 м, высота верхней части заряда - 2,8 м, высота забойки - 4,8 м. Для рассмотренного случая, когда выше газового промежутка скважина сухая, как указывалось выше, на оболочку будет действовать сила тяжести вышележащих слоев высотой примерно 4 диаметра заряда с усилием порядка 30 Н для скважин диаметром 0,16 м. При расчете по формуле (2) давление р = 0,1015 Па (точка 1 на рис. 4).

Рис.4. Зависимость давления вышележащих слоев на газовую оболочку р в зависимости от уровня воды ^ в скважине

В скважинах с уровнем воды, расположенным несколько выше газовой оболочки, нижняя часть верхнего заряда перемешивается с водой, трение и сцепление этой части заряда со стенками скважины практически равны нулю, и давление на газовую оболочку следует рассматривать как гидростатическое давление. В результате засыпки заряда ВВ в воду, находящуюся на уровне Ну> уровень воды поднимется на высоту кмз Определим высоту обводненной части заряда ВВ и забойки:

* ^

- -

у

1 - КУ

где Ку - плотность упаковки заряда ВВ или засыпной забойки, рассчитывается по формуле:

К -

Ку- 7 ’

/ п

3

где ун - насыпная плотность заряда ВВ или забойки, кг/м ; уп -плотность гранулы заряда ВВ или породы, кг/м3.

Давление же верхней, сухой части заряда ВВ и засыпной забойки определяется по формуле (2). Для упрощения расчетов принимаем допущение, что плотность гранул заряда ВВ и частиц засыпной забойки одинакова. Суммарное давление определится:

4Р

Р - 7е ^ К + 7п ё К + ~^ + Ра. (3)

пи

Зависимость (3) действительна до тех пор, пока высота обводненной части заряда ВВ и забойки не достигнет устья скважины (на рис.4 отрезок 1-2). Именно в этом случае давление на газовую оболочку будет наибольшим (точка 2 на рис.4). Уровень воды, при котором скважина до устья заполняется обводненными зарядом ВВ и забойкой, равен

hум - К (1 - Ку ) ,

где hвх - высота скважины от газовой оболочки до устья, м.

При уровне воды в скважине большем Кум соотношение количества воды и забойки изменяется в сторону уменьшения количества забойки, верхние слои, оказывающие давление на газовую оболочку, состоят в нижней части из смеси воды и заряда ВВ, выше - смеси воды и забойки, а вверху - столб воды. Причем забойка засыпается во взрывную скважину только до тех пор, пока столб воды не поднимется до устья скважины. Высота столба воды hв в верхней части скважины определится:

h — h

h - h — ^------у- .

в вх -гг

Ку

Давление в этом случае равно:

Р - 7в ё hу + 7п ё (К — К) + Ра. (4)

Зависимость (4) действительна до полного обводнения скважины, когда столб воды доходит до ее устья (точка 3 на рис. 4).

Из графика видно, что наименьшее давление на газовую оболочку возникает в сухих скважинах, а наибольшее оказывается в том случае, когда скважина до устья заполнена смесью воды с зарядом ВВ и засыпной забойки.

На рис. 5 представлена зависимость отношения величины деформации оболочки ДК к ее первоначальной высоте К от высоты столба воды Кв над ней при первоначальном давлении газа в оболочке, равном атмосферному ра.

лк

т

Рис. 5. Зависимость отношения величины просадки оболочки \h к ее первоначальной высоте h от высоты столба воды hв над ней

Анализ графика показывает, что просадка оболочки с увеличением высоты столба воды быстро растет и может привести к разрушению оболочки и затрудняет соблюдение заданной высоты промежутка между частями заряда ВВ. Для предотвращения просадки оболочки следует создавать в ней избыточное давление, равное давлению р вышележащих слоев на оболочку. Объем оболочки в этом случае должен быть равен объему газа при атмосферном давлении, обеспечивающим заданную высоту промежутка, а избыточное давление равно давлению вышележащих слоев (воды, верхней части заряда ВВ и засыпной забойки). Однако следует отметить, что для полностью обводненных скважин избыточное давление достигает 0,23...0,24 МПа, которое накладывает высокие требования к прочности эластичной оболочки.

Газовые промежутки в оболочке дают хороший результат в скважинах, имеющих вывалы стенок, или в трещиноватых породах, когда для создания воздушного промежутка, например, из пенопо-листирола, требуется проводить текущие замеры высоты промежутка, поскольку площадь сечения скважины по высоте непосто-

янна и пенополистирол засыпается в трещины и вывалы. Оболочка в такой скважине будет выдерживать средний диаметр, сохраняя заданную высоту промежутка.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марченко Л.Н., Кудряшов В.С. Методические указания по применению скважинных зарядов, рассредоточенных воздушными промежутками на открытых горных разработках // Сб. Взрывное дело № 51/8. - М.: Недра, 1963. - С. 199-206.

2. Жунусов К. Отбойка скальных пород зарядами с воздушной подушкой. -Алма-Ата: Наука, 1979. - 120 с.

3. Лавров Г.М., Григорьев А.В. Об одном из способов фиксации заряда в скважине // Сб. Взрывное дело № 89/46. - М.: Недра, 1986. - С. 191-194.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Лещинский А.В. - кандидат технических наук, зав. кафедрой «Строительные и дорожные машины»,

Шевкун Е.Б. - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительные и дорожные машины»,

Тихоокеанский государственный университет.