CC BY
35
2000
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ
СЕРИЯ ГОРНОЕ ДЕЛО
Вып. 11
РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД
УДК 622.235.3.012.3
A.C. Маторнн , В.М. Павлютснкоо, A.A. Котяшсб ИГДУрО РАН
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОДГОТОВКИ ГОРНОЙ МАССЫ НА КАРЬЕРАХ
С ростом глубины карьеров увеличиваются объемы выемки скальных горных пород, изменяется их трещиноватость, повышается крепость и обводненность, что оказывает существенное влияние на эффективность процесса подготовки горной массы к выемке и транспортированию. Доля взрывных работ в себестоимости добычи полезных ископаемых в настоящее время достигает 30 % и имеет тенденцию к дальнейшему росту. В этой связи проблема подготовки скальной горной массы к выемке с наименьшими затратами остается одной из важнейших проблем горного производства.
Обеспечение необходимого качества дробления горных пород без существенного увеличения затрат возможно за счет совершенствования как самих ВВ. так и технологии взрывного разрушения. Перспективное направление - это снижение стоимости взрывчатых веществ, так как затраты на ВВ в общих затратах на взрывное разрушение составляют 70-75 %. Новые виды взрывчатых веществ, разрабатываемых для горнодобывающей промышленности, должны допускать возможность их изготовления непосредственно на местах применения. Использование взрывчатых веществ местного изготовления позволяет существенно снизить затраты на взрывные работы и уменьшить опасность, связанную с транспортированием и хранением больших количеств взрывчатых материалов.
Основная проблема в этой области - разработка смесей повышенной энергии, не содержащих или содержащих в минимальных количествах взрывчатых сенсибилизаторов, имеющих минимальное количество токсичных компонентов в продуктах детонации, обладающих водоустойчивостью и сравнительно низкой вязкостью, позволяющей производить механизированную зарядку скважин.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности взрывных работ на горнодобывающих предприятиях является внедрение прогрессивных технологий разрушения горных пород, основанных на применении водосодсржащих взрывчатых веществ, в том числе эмульсиоп ных и ВВ. приготовленных на основе обратных эмульсий Эти ВВ являются наиболее универсальными и позволяют менять взрывчатые характеристики в достаточно широких пределах путем изменения компонентного состава и степени аэрации взрывчатой смеси.
В ИГД УрО РАН разработаны водоустойчивые гелеобразные ВВ как альтернатива дорогостоящему и опасному в изготовлении и применении тротилу и технология их приготовления в условиях горных предприятий.
Водосодсржащис взрывчатые вещества представляют собой смесь раствора окислителя с горючим. Раствор окислителя служит сплошной средой, в которой во взвешенном состоянии находятся частицы горючего, образующие дисперсную фаз\. Физическая стабильность этих дисперсных систем достигается загущением раствора окислителя путем введения в него небольшого количества растворимого в нем высокомолекулярного соединения и перевода системы из вязкоте-
кучсго в высокоэластичнос (гелсобразнос) состояние химическим сшиванием раствора соответствующими химическими реагентами. Так. растворы полиакриламида и солей карбокси метил целлюлозы хорошо сшиваются ионами трехвалентного хрома. Образующаяся при этом пространственная структура обладает определенной механической прочностью, зависящей от концентрации загустителя и сшивающего агента. Например, предельное напряжение сдвига, характеризующее прочность гелеобразной структуры, увеличивается при увеличении концентрации КМЦ в растворе аммиачной селитры от 1 до 2 % и сернокислого хрома от 0,15 до 0,55 г/л. При концентрации КМЦ 1-1,5 % (степень полимеризации более 500) и оптимальной степени сшивания в геле не тонут стальные шарики диаметром до 5 мм.
В результате химического сшивания макромолекул 'загустителя образуется гелеобразная структура, которая препятствует расслоению разнородных по агрегатному состоянию и различных по плотности компонентов. Поэтому для получения гслсобразных водосодержаших ВВ можно применять любое горючее.
Химическое сшивание позволяет не только получить устойчивые дисперсные системы при небольшой концентрации загустителя, но и придать им достаточную водоустойчивость. Переход линейных макромолекул загустителя в сетчатые сопровождается потерей их растворимости, так как растворитель не в состоянии разрушить химические связи между звеньями макромолекул. Относительная водоустойчивость гелеобразных ВВ обусловлена тем. что трехмерная сетка препятствует разбавлению иммобилизованного ею раствора окислителя и защищает от действия воды растворимые в ней компоненты.
Приготовление гелеобразных ВВ - химико-технологический процесс, элементами которого являются тепло- и массообмен. химические реакции, движение фаз и др. Процесс включает в себя приготовление раствора окислителя, загущение его высокомолекулярными соединениями, смешение с горючим и сухой аммиачной селитрой, структурирование и перекачивание смеси в скважину. Наиболее прогрессивным способом получения гелеобразных ВВ является изготовление их в аппаратах непрерывного действия.
Для получения гслсобразных взрывчатых веществ по непрерывному процессу загущенный раствор аммиачной селитры, горючее, сухая аммиачная селитра и сшивающий агент в заданном соотношении (в соответствии с рецептурой) подаются одновременно в аппарат непрерывного действия (смеситель), перемешиваются на проходе через рабочую зону аппарата, и смссь перекачивается в скважину. Таким образом, подача компонентов или композиций в аппарат, их перемешивание и выдача осуществляются одновременно и непрерывно.
В зависимости от рабочего объема аппарата, производительности насоса, дальности и скорости перекачивания, время пребывания смеси в аппарате может изменяться от 5 до 30 с.
В качестве горючего в отечественных составах водосодержащих ВВ используется, как правило, гранулотол. В последние годы в связи с резким повышением цены на гранулотол и железнодорожные тарифы на его перевозку к местам производства водосодержащих взрывчатых веществ разработка новых составов с пониженным содержанием тротила представляет актуальную задачу. При этом важно, чтобы такие взрывчатые вещества не уступали по работоспособности штатным ВВ и в то же время приготавливались из относительно недорогих компонентов с использованием существующей зарядной техники. Наиболее перспективна замена части гранулотола на жидкие нефтепродукты.
ИГД УрО РАН разработаны две рсцепт\ры водосодержащих ВВ с пониженным содержанием тротила марки Т и ТН. В акватолс марки Т содержится !7±2 % тротила. В акватолс марки ТН тротила содержится 9±1 % и нефтепродукта 2±0,5 %.
Для осуществления технологии приготовления гслсобразных водосодержащих ВВ сотрудниками ИГД УрО РАН совместно со специалистами предприятий разработаны смссительно-зарядные машины МЗ-ЗБВ и МЗ-4В Институтом «НИПИгормаш» по заданию ИГД УрО РАН разработаны и изготовлены смесительно зарядные машины МЗВ-9 и МЗВ-10.
Принципиальная технологическая схема смссительно-зарядной машины приведена на
рис.1.
Предложенная технология приготовления гелеобразных водосодержащих ВВ реализована на Качканарском ГОКе и разрезе «Красногорский»
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема смесительно-зарядной машины МЗВ-10:
I - бункер для сыпучей горючей добавки. 2 - резервуар для раствора окислителя; 3 - бункер для сыпучей аммиачной селитры, 4 - резервуар для жилкой горючей добавки.
5 - бачок для структурирующего агента, 6- Сачок дня аэрирующего агента; 7 - смеситель непрерывного действия, 8 - насос для перекачивания ВВ в скважины, 9 - барабан для от екания и подъема заряд юго рукава.
10 - зарядный рукав. 11 - скважина
Использование ВВВ взамен гранулотола для разрушения обводненных горных пород повышает безопасность работ, даст снижение затрат на взрывном переделе 2-2,5 тыс.руб. на каждую тонну ВВ.
Самым крупным достижением в области разработки промышленных ВВ в последнее время стало появление в производстве взрывных работ нового класса промышленных взрывчатых веществ - эмульсионных ВВ. Принцип построения рецептур таких взрывчатых веществ основан на получении обратных эмульсий высоксконцснтрированного раствора окислителя (аммиачная, натриевая и кальциевая селитры) в масле (нефтепродукте) в присутствии поверхностно-активных веществ (эмульгаторов). Они просты по составу и технологии приготовления. В них отсутствуют нитрососдинения и другие дорогостоящие компоненты. Не требуют загущения и структурирования для придания водоустойчивости
Эмульсионные взрывчатые вещества состоят из раствора нитрата аммония с добавками нитрата натрия или кальция и жидкого нефтепродукта (ДТ, масла, мазута), которого содержится 5-7 % для полного сбалансирования системы по кислороду. Раствор окислителя, нагретый до 65-85 °С, диспергируют и эмульгируют с добавкой эффективного эмульгатора в нефтепродукт в количестве 2±1 %, так, чтобы каждая сферическая капелька раствора окислителя была покрыта тонкой его пленкой, предохраняющей окислитель от контакта и разбавления водой. Чтобы сделать эти взрывчатые смеси чувствительными к капсюлю-детонатору и промежуточному детонатору, в эмульсию вводят микропузырьки воздуха с помощью полых или пористых микросфер из стекла или пластмассы или применяют химическую аэрацию с помощью газогенерирующей добавки. Взрывчатые свойства эмульсионных ВВ обеспечиваются высокой дисперсностью раствора окислителя и большой поверхностью контакта между окислителем и горючим. Вследствие этого повышается эффективность и полнота взрывчатого превращения, увеличивается скорость дстонании по сравнению с суспензионными водосодержащими ВВ Эти составы получили за рубежом название эму литы, а их российский аналог - порэмит
По теплоте взрыва порэмиты усту пают гранулотолу (690-726 ккал/кг для порэмита и 930 ккал/кг для грану лотола). Однако с учетом повышенной плотности заряжания скважин порэмитом объемная концентрация энергии увеличивается до 908 к кал/дм при плотности 1250 г/дм3, превосходя по мощности гранулотол. Порэмиты могут эффективно применяться для разрушения пород средней крепости с любой степенью обводненности. Дпя крепких и весьма крепких пород могут быть использованы порэмиты повышенной мощности, в состав которых вводится энергетическая добавка - алюминиевый порошок в количестве 4-8% (порэмит М марок 4А и 8А) или гранулированный алюминиевый порошок (порэмит МК марок 8К и 8КА).
Технологический процесс приготовления порэмита состоит из следующих операций:
- приготовление раствора натриевой или кальциевой селитры;
- приготовление раствора окислителей:
- приготовление смеси нефтепродукта с эмульгатором;
АААА^ F95
- приготовление газогенсрирующсй добавки и заправка ее в смссительно-зарядную машину (СЗМ);
- изготовление эмульсии порэмита и загрузка ее в смссительно-зарядную машину;
- изготовление порэмита в смесительно-зарядной машине в процессе заряжания скважин.
На комбинате «Ураласбсст» в 1988 году был пущен опытный цех Калиновского химзавода
по производству эмульсии порэмита и газогенерирующей добавки. За 2 года 4 месяца эксплуатации этого цеха было изготовлено 25990 т порэмита и с применением этого ВВ отбито около 40 млн м3 горной массы.
В 1991 году по заданию комбината ГосНИИ «Кристалл» с учетом опыта работы цеха Калиновского завода разработал новый проект технологического процесса производства порэмита. а Союзхимпром разработал проект завода. В марте 1994 завод был сдан в эксплуатацию.
Для приготовления порэмита и заряжания скважин на комбинате используются пять сме-сительно-зарядных машин: одна СЗМ фирмы «Нитро-Нобель», одна машина СЗМ-8 конструкции НИИмеханизации (г.Красноармейск) и две машины МЗВ-8 ОАО «НИПИгОрмаш».
С июля 1997 года на комбинате начался выпуск порэмита 1А, который отличается тем, что из состава исключена добавка натриевой или кальциевой селитры Технологический процесс изготовления эмульсии порэмита 1А осуществляется на том же оборудовании
В настоящее время отбокка обводненных горных пород осуществляется полностью с применением порэмита Объем производства порэмита и стоимость одной тонны приведены в табл.1.
Таблица 1
Объемы производства и стоимость 1 т порэмита
Пока отели Год
1994 1995 1996 1997 1998
Объем производства, т 2710 5320 6550 8750 8192
Стоимость приготовления 1 т. руб 55000 1105000 1900000 1990000 1618
Опыт применения порэмита и условиях карьерой ОАО «Ураласбсст» показал следующие его достоинства: высоку ю водоустойчивость, низкую чувствительность к механическим и тепловым воздействиям, высокую безопасность в обращении, полную механизацию зарядки скважин, низкую газовую вредность, экологически чистое безотходное производство.
Для отбойки нсобводненных горных пород за рубежом широко используются взрывчатые смеси АС-ДТ (игданит), которые все шире начинают применяться и на отечественных горных предприятиях (Качканарский ГОК, комбинат «Ураласбест», разрезы К\збасса и др.). Основным недостатком этого ВВ является отсутствие водоустойчивости. Заряды АС-ДТ содержат около 50 % воздуха по объему, в том числе 15 % в гранулах и 35 % между гранулами, из них 7 % открытые поры, которые поглощают ДТ. Воздч'х между гранулами - бесполезный объем. Если этот объем заполнить высокоплотным, водоустойчивым веществом, то смесь эта будет обладать повышенной водоустойчивостью по сравнению с АС-ДТ. Эта основная концепция была реализована при изготовлении гранэмитов.
Преимуществом гранэмитов является простая технология приготовления. Она состоит из двух процессов. Первый - производство самой эмульсии, так называемой матрицы Второй - это смешение компонентой и заряжание У каждого производителя имеются собственные технологии в выполнении первого процесса, второй же процесс выполняется везде одинаково.
Эмульсия обволакивает гранулы АС-ДТ тонкой пленкой. Даже при содержании в гранэми-тс эмульсии 25-30 % толщина пленки составляет 0.1 мм при среднем размере гранул 2-3 мм в диаметре. При увеличении содержания эмульсии до 50 % взрывчатая смесь становится более плотной В 'зависимости от марки АС и плотности эмульсин все промежутки между гранулами заполняются при содержании эмульсии 35-40 %. При содержании эмульсии в гранэмите более 55 % смесь может перекачиваться насосом и может заряжаться со дна скважины.
Наиболее важным параметром, оказывающим влияние на физические свойства и взрывчатые характеристики гранэмита, является содержание эмульсии в составе (табл.2).
Таблица 2
Физические и взрывчатые характеристики гранэмитов
Наименование показателей ■ Значение показателей
Содержание эмульсии в смеси. 0 10 20 30 40 5.) 60 70 80 90 100
Содержание \С-ДТ в смеси. % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Максимальная плотность, г/см3 0.85 1.0 1.10 1.22 1.31 1.42 1.37 1.35 1.32 1.31 1.30
Относительная теплота взрыва. % 100 116 115 113 112 108 107 105 104 101 100
Относительная объемная энергия. |% 100 116 127 138 146 155 147 141 133 131 127
Скорость детонации. м/с (стальная труба, о 125 мм) 3800 3800 3800 900 4200 4500 4700 5000 5200 5500 5600
Водоустойч ивостъ Неводоустойчивыс 3 дня в упаковке Неограниченная без упаковки
Технология приготовления гранэмита в СЗМ заключается в изготовлении игданита и смешении его с эмульсией 1 порэмита непосредственно в процессе заряжания скважин на подготовленном блоке в соответствии с регламентом технологического процесса и инструкцией по эксплуатации смсситсльно-зарядной машины.
При изготовлении гранэмита марок И-30 и И-50 в смесь эмульсии порэмита с игданитом может дозированно подаваться газогенерирующая добавка (ГГД). При снижении температуры эмульсии в смесительно-зарядной машине ниже 65 °С изготовление гранэмита не допускается.
Для проведения промышленных испытаний гpaнэslитa марки И-50 заводом АО «НИПИ-гормаш» изготовлен опытный образец смесительно-зарядной машины МЗГ-10 грузоподъемностью 10 т на базе автосамосвала КрАЗ-256Б
Смесительно-зарядная машина представляет собой передвижной агрегат, предназначенный для транспортировки компонентов гранэмита, смешивания их на поперечном разгрузочном шнеке и заряжания полученной смесью скважин на подготовленном в карьере блоке.
Принципиальная схема смесительно-зарядной машины МЗГ-10 представлена на рис.2.
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема смесительно-зарядной машины МЗГ-10:
1 - резерву ар для эмульсин порэмита; 2 - бункер х\я сухой аммиачной селитры. 3 - резервуар для дизельного топлива; 4 - резервуар для газогенерирующей добавки (ГТД); 5 - продольный шнек для подачи аммиачной селитры; б - поперечный шнек хтя полу чения и подачи в скважин>' взрывчатой смеси
В процессе испытаний установлено, что новая взрывчатая смесь гранэмит И-50 обладает более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с порэмитом и игданитом в аналогичных условиях взрывания пород и руд на карьерах ОАО «Ураласбест».
Анализ продуктов детонации (табл.3) при использовании гелеобразных водосодсржающих взрывчатых веществ, в том числе и с пониженным содержанием тротила, порэмита и гранэмита для отбойки горных пород показывает, что количество вредных газов существенно снижается по сравнению со штатными ВВ (гранулогол, граммонит 30/70), Так. при применении грану лотола с
каждого килограмма выделяете« 279.6 л СО и 204 г С. в то время как при применении порэмита выделяется 39.7 л СО. при гранэмите - 33 л СО. при акватоле Т-20-25,2 - л СО.
Таблица 3
Состав продуктов детонации взрывчатых вешеств
Продукты детонации
11аимснованис ВВ Н20(иар), СО, СО,, N2, С.
л/кг л/кг л/кг л/кг г/кг
Гранллотол 246.6 274.6 35.8 147.8 204
Граммонит 30/70 465.9 142.6 65.2 239.7 -
Игданит 612 26 106 266 -
Акватол Т-20 600 25.2 112.9 211.6 -
Акватол ТН 653.1 - 102.6 218.9 -
Пор-чмит 1, 1А 641.8 19,7 69.4 206 -
Гранэмит 50/50 572,9 33 63 202.3 -
Снижение вредностей в продуктах детонации при применении акватолов. порэмита и гра-нэмита имеет большое значение, особенно для условий глубоких карьеров, где вопросы проветривания стоят особенно остро. Кроме того, в этом случае снижается вредное воздействие на окружающую срсду.
В заключение следует отмстить, что широкомасштабное применение на отечественных карьерах прогрессивных технологий подготовки скальной горной массы к выемке, основанных на базе использования водосодсржащих и эмульсионных взрывчатых вешеств, позволит снизить затраты на взрывные работы в 2.5-3 раза по сравнению со штатными ВВ, улучшить экологическую обстановку- в горнодобывающих регионах и повысить безопасность взрывных работ.
УДК: 622.235.431
Э.П. Артемьев, В.Н. Рождественский ИГД УрО РАН А.И. Ермолаев
УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГИЕЙ ВЗРЫВА НА КАРЬЕРАХ
При открытой разработке крупных месторождений полезных ископаемых эффективность и безопасность ведения горных и взрывных работ в значительной степени зависят от своевременной и качественной постановки уступов и бортов карьеров в конечное положение. С увеличением глубины и сроков службы карьеров актуальность повышения устойчивости бортов возрастает, и все в больших объемах применяется специхчьная технология производства буровзрывных работ в приконтурной зоне с применением отрезных щелей.
Взрывная отбойка скальных пород на карьерах, как правило, производится многорядным короткозамедленным взрыванием (МКЗВ), причем при отработке приконтурных целиков количество рядов скважин снижается до двух-трех, масса заряда ВВ. приходящаяся на ступень замедления, - до 0,5-1,0 т. отбойка производится на подобранный забой [2]. Это приводит к ухудшению качества дробления скальных пород, увеличению ширины развала и, как следствие, снижению производительности погрузочного оборудования, увеличению простоя карьеров.
Известно, что при взрывании скважинных зарядов удлиненными рядами в условиях их взаимодействия волны напряжений распределяются в массиве неравномерно. Их затухание во фронтальном направлении к удлиненном) ряду происходит, как от плоской волны, а во фланговом - как от цилиндрической, что обуславливает в ближней зоне взрыва величины наведенных
