CC BY
97
© Е.Б. Шевкун, A.B. Лешинский, A.B. Языков, 2012
УДК 622.235.5:504
Е.Б. Шевкун, A.B. Лешинский, A.B. Языков
ПРИМЕНЕНИЕ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В ОБВОДНЕННЫХ СКВАЖИНАХ БОЛЬШОЙ ГЛУБИНЫ
Предложено в глубоких скважинах использовать газогенерируюшее устройство, которое разделяет столб эмульсионного взрывчатого вешества, тем самым снижая давление на газовые пузырьки в эмульсии. Газовый промежуток, выполненный в виде газогенерируюшего устройства, надежно зашишает нижерасположенные слои эмульсионного ВВ от давления верхних слоев.
Ключевые слова: взрывчатое вешество, глубокая скважина, плотность.
Эмульсионные взрывчатые вешества (ЭВВ) получают все более широкое распространение ввиду сушественных преимушеств перед другими типами промышленных ВВ: в составе ЭВВ отсутствуют взрывчатые компоненты, поэтому они обладают низкой чувствительностью к механическим воздействиям и пригодны к механизированному заряжанию, ЭВВ дешевы и водоустойчивы.
В отечественных ЭВВ придание эмульсионной матрице взрывчатых свойств осушествляется введением в нее раствора газогенерируюшей добавки, содержанием и концентрацией которой регулируется конечная плотность ЭВВ. Этот способ, при всей его простоте и дешевизне, имеет существенный недостаток - под воздействием гидростатического давления колонки заряда распределенные в эмульсии газовые пузырьки, выполняющие функцию «горячих точек», сжимаются и по мере возрастания длины заряда плотность ЭВВ в его нижней части увеличивается. Увеличение относительной плотности свыше 0,9 приводит к резкому возрастанию критического диа-
метра ЭВВ с 20 мм почти до 400 мм [1]. При взрывании обычных зарядов длиной 10—15 м этот эффект себя практически не обнаруживал. Однако при заряжании глубоких (до 50 м) скважин эмульсионным ВВ, сенсибилизированным методом газогенерации, возникла проблема обеспечения такой исходной плотности ЭВВ, которая обеспечила бы надежную детонацию заряда ЭВВ в донной части, имею-шей максимальную плотность. В работе [1] предложен путь решения этой проблемы за счет изменения исходной плотности ЭВВ в зависимости от глубины заряжаемой скважины. Этот путь требует каждый раз проводить расчеты, выполнять зарядку с переменной плотностью ЭВВ по высоте заряда, что значительно усложняет процесс зарядки скважин повышенной глубины.
Нам видится целесообразным сохранить прежний простой способ заряжания без изменения исходной плотности ЭВВ. Для этого достаточно заряд ВВ глубокой скважины разделять на части обычной высоты в 10—15 м разделителем, передающим
Рис. 1. Рассредоточение эмульсионного 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
давление вышележащей части заряда ЭВВ и забойки на стенки скважины.
В качестве такого разделителя заряда предлагается использовать газо-генерирующее устройство [2].
При заряжании глубокой обводненной скважины 1 (рис. 1, а) в нее опускают боевик 2, закрепленный на проводнике инициирующего импульса 3. Затем формируют нижнюю часть заряда эмульсионного ВВ 4, после чего в скважину опускают герметичную оболочку 5 (рис. 1, б с размещенными внутри утяжелителем 6, например один или несколько кусков горной породы, а также химическими реагентами 7, например, карбонат кальция (известняки, мел, мрамор), карбонат натрия (сода) или карбонат калия (поташ) и водный раствор соляной кислоты или карбид кальция и воду и т. п. Оболочка тонет в воде и размещается поверх нижней части заряда ВВ. По мере протекания реакции газооб-
разования оболочка расширяется, прижимается к стенкам скважины, образовывая газовый промежуток 8, выполняющий функцию разделителя заряда ЭВВ, при этом вода 9 вытесняется вверх по скважине (рис. 1, в).
После завершения образования первого газового промежутка формируют следующую часть заряда эмульсионного ВВ 10 с боевиком 11 на проводнике инициирующего импульса 12 и операция повторяется до полного разделения всего столба заряда ЭВВ на отдельные элементы. Если уровень вытесненной воды достиг устья скважины, забойку не делают, если нет - выполняют забойку.
Надежное разделение заряда на части газовым промежутком обеспечивается в случае передачи им давления вышележащего заряда ВВ и забойки на стенки скважины при сохранении самого промежутка. Высота оболочки в заряде должна быть несколько большей высоты промежутка в заряде, т. к. на оболочку будут действовать нагрузка от вышележащего заряда, и оболочка просядет. Определим величину этой просадки.
Давление газа в оболочке до приложения нагрузки равно атмосферному р0. После приложения нагрузки верхнего слоя ВВ объем V оболочки с газом уменьшится на Л V, а давление в оболочке увеличится до значения р, равного сумме величин атмосферного давления и давления вышележащих слоев. Величина этого давления р равна:
40
Р = Рв + Ро + Ро ,
пи
где С — сила тяжести верхней части заряда эмульсионного ВВ, действующая на газовую оболочку, Н; О — диаметр скважины, м; рв — давление от силы тяжести верхней части заряда
Рис. 2. Зависимость давления р и просадки йИ газовой оболочки от массы М столба эмульсионного ВВ
ВВ, Па; р0 — первоначальное давление в оболочке, равное атмосферному, Па.
В соответствии с законом Бойля-Мариотта можно записать:
Ур0 = (У-АУ)р ,
или в развернутом виде
ч2 /
"Н Ро =
пВ2
яВ2 7 пВ 2 ' -к--АН
\
вой оболочке составляет 0,23 МПа (2,3 кг/см2), однако просадка газовой оболочки составляет 55 % от ее высоты.
Этот расчет сделан из условия, что первоначальное давление в газовой оболочке равно атмосферному. Если увеличить первоначальное давление, то просадка газовой оболочки уменьшится (рис. 3).
Таким образом, просадку оболочки можно регулировать, изменяя величину первоначального давления ро, однако она ограничивается прочностью оболочки.
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 =
мм •У
_м_
отсюда
АН = к
р
где И — высота газовой оболочки в скважине, м; ЛИ —просадка оболочки после приложения нагрузки, м.
На рис. 2 приведены результаты расчета давления в газовой оболочке и ее просадки в зависимости от массы вышерасположенного столба ЭВВ для удельной плотности ЭВВ 1,25 кг/дм3.
По данным работы [1] при такой плотности ЭВВ масса заряда в скважине глубиной 20 м составит около 600 кг. Из рис. 2 видно, что при такой массе заряда ВВ давление в газо-
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 50 л. Для получения газа ацетилена С2Н2 должна пройти реакция СаС2 + 2Н20 = Са (ОН)2 + С2Н2.
Мольная масса карбида кальция Мм = 64 г/моль, примем коэффици-
Рис. 3. Зависимость просадки йН газовой оболочки от давления р в ней
Рис. 4. Зависимость силы трения Т газовой оболочки о стенки скважины от силы тяжести О столба вышерасположенного заряда эмульсионного ВВ
ент, учитывающий чистоту материала, равным единице, тогда для получения 50 литров ацетилена карбида кальция должно быть, Г:
М =-
64 • 50
= 143.
22,4 1
Мольная масса воды, необходимой для полной нейтрализации одного
моля карбида кальция, равна 36 г/моль. Таким образом, воды должно 36
быть не менее — = 0,506 от массы 64
карбида кальция и для рассматриваемого примера 72,3 г.
Для того, чтобы увеличить первоначальное давление р0 в оболочке, следует увеличить количество газа, заполняющего оболочку, увеличивая соответственно массу реагентов.
Оболочку следует выполнять цилиндрической формы из достаточно прочной полиэтиленовой пленки толщиной 150...200 мк диаметром на 10...15 % больше диаметра скважины.
Далее следует определить, удержит ли газогенерирующее устройство за счет трения о стенки скважины столб заряда ЭВВ, и не передастся ли давление от вышерасположенного столба заряда ВВ на находящийся ниже столб?
Сила Р, прижимающая газовую оболочку к стенкам скважины, равна: Р = рГ
где Р — площадь поверхности контакта оболочки со стенками скважины.
Г = пОЪ .
Сила трения, удерживающая оболочку от перемещения вниз силой тяжести вышерасположенного столба заряда ВВ, равна: Т = Рц ,
где ^ — коэффициент трения оболочки о стенки скважины.
Условие, при котором оболочка не сдвинется под давлением вышерасположенного столба заряда ВВ Т > О , или а развернутом виде
™ (Р. + ) Ц > 0.
На рис. 4 представлены результаты расчета силы трения Т газовой обо-
лочки высотой 1 м о стенки скважины диаметром 250 мм. Коэффициент трения оболочки о стенки скважины принят равным 0,5.
Анализ результатов расчета показывает, что сила трения газовой оболочки о стенки скважины значительно превышает силу тяжести столба заряда ВВ, что позволяет говорить о том, что эта нагрузка не передается на столб заряда ВВ, расположенный ниже газового промежутка.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что газовый промежуток,
1. Жученко Е.И., Иоффе В.Б., Кукиб Б.Н. и др. Заряжание глубоких скважин эмульсионными ВВ «Сибиритами» на разрезах Кузбасса / // Физические процессы разрушения горных пород: Сборник трудов Третьей международной научной конференции, 9—14 сент. 2002 г., Абаза (Хака-
выполненный в виде газогенерирую-шего устройства, надежно защищает нижерасположенные слои эмульсионного ВВ от давления верхних слоев.
Величину просадки газовой оболочки можно регулировать первоначальным давлением, создаваемым га-зогенерируюшими компонентами. Оболочку следует выполнять из достаточно прочного эластичного материала, который может выдержать заданное давление газов и не порваться в результате контакта с острокромчатыми кусками породы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
сия), — Новосибирск: Наука, 2003. — С. 154—157.
2. Способ формирования рассредоточенных зарядов в обводненных скважинах : Пат. 2306523 Рос. Федерация. № 2006103613/03 ; заявл. 07.02.06 ; опубл. 20.09.07, Бюл. № 26. — 7 с.ЕЗЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Шевкун Е.Б. — профессор, доктор технических наук, Лешинский A.B. — доцент, кандидат технических наук, Тихоокеанский государственный университет, г. Хабаровск, [email protected] Языков A.B. — начальник отдела Дальневосточного управления Ростехнадзора.
НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2012 В ФОТОГРАФИЯХ
