CC BY
58
--------------------------------------- © Е.Б. Шевкун, А.В. Лещинский,
2006
УДК 622.235.4/.5
Е.Б. Шевкун, А.В. Лещинский
СКВАЖИННЫЕ ЗАРЯДЫ С УКОРОЧЕННОЙ ЗАБОЙКОЙ
Семинар № 5
Экспериментальными исследова-
ниями различных авторов установлено, что забойка играет существенную роль в работе взрыва: обеспечивает полноту детонации ВВ и тем самым выделение наибольшего количества энергии взрыва заряда данной величины; увеличивает продолжительность импульса взрыва и, следовательно, степень использования энергии взрыва, а также предотвращает опасный разброс кусков породы, выносимых газами взрыва в процессе их истечения через устье скважины. Рациональная длина забойки зависит от многих факторов, характеризующих свойства ВВ и забоечного материала, конструкцию заряда, а также среду, в которой производится взрыв.
Тем не менее, продолжаются дискуссии о целесообразности забойки вообще, поскольку Единые правила безопасности при взрывных работах дают право руководителю предприятия устанавливать допустимость взрывания зарядов без забойки (гл. IV, п. 24 ЕПБВР) и многие предприятия, в том числе крупные, ведут взрывные работы без забойки.
Нами был проведен экспериментальный взрыв скважин диаметром 215 мм и глубиной 2,6 м с массой заряда 13 кг со съемкой на видеокамеру. На рис. 1 показаны несколько кадров видеосъемки взрыва скважин. Правая скважина взорвана с забойкой из бурового шлама, левая - без забойки.
Из рис. 1 видно, что прорыв газов из скважины без забойки происходит на первых миллисекундах взрыва, а из скважины
с забойкой - только через полсекунды с начала взрыва. До этого происходит выталкивание засыпной забойки с одновременным вспучиванием массива горных пород. У скважины без забойки такого вспучивания нет, поэтому и видимые воронки взрыва получены различных размеров из-за различий полезной работы взрыва. Поэтому мы считаем целесообразным использование забойки в обязательном порядке.
Другой вопрос: какая забойка наиболее приемлема для повышения полезного использования энергии взрыва при минимальных издержках производства. Этот вопрос был интересен и раньше, но сейчас, с приходом эффективных собственников к руководству горными предприятиями, он встал с новой остротой именно с экономической точки зрения. Предприятия согласны увеличить затраты на забойку, если отдача существенно превысит затраты.
Наличие забойки и воздушного промежутка под ней оказывает положительное влияние на дробление среды, уменьшая выход негабарита. Установлено, что воздушный промежуток между зарядом ВВ и забойкой позволяет перераспределить энергию взрыва и увеличить период действия взрыва на массив на 15-35 %, значительно сократить величину забойки (а также потребность в забоечном материале и трудоемкость процесса забойки), уменьшить выход негабаритных фракций и диаметр среднего куска по сравнению с взрыванием без воздушного промежутка [1]. Наилучшее дробление обеспечивается
240 мс 280 мс 560 мс
Рис. 1. Видеограмма взрыва скважин с забойкой и без забойки
при применении укороченной засыпной забойки и воздушного промежутка над зарядом, наихудшее - при взрывании без забойки.
Авторы работы [2] считают, что максимальная длина забойки не должна превышать 32 диаметров скважины - улучшения взрыва нет; минимальная длина забойки равна 16 диаметрам скважины - при
уменьшении растет разлет кусков горной массы и падает качество дробления.
В то же время экспериментальные исследования на объемных моделях из канифоли показали, что наибольшие напряжения распространяются в среде при наличии укороченной забойки из крупнозернистого материала с рассредоточенным воздушным промежутком зарядом, поэтому при ведении взрывных работ длина за-
бойки более 8-10 диаметров заряда нецелесообразна. Производственными экспериментами подтверждено, что уменьшение длины забойки до семи диаметров заряда не снижает эффективность взрывания [3].
Идеальной забойкой будет такая, которая будет разрушаться одновременно с разрушением взрываемого массива, тогда можно утверждать, что она полностью выполняет свое назначение. Проведенные опыты по забойке из бетона на гипсглиноземистом расширяющемся цементе показали весьма сущест-венное увеличение объема взрывной полости шпуровых зарядов (в 29 раз) [4].
В связи с таким большим разбросом мнений о длине и материале забойки нами проведен эксперимент с укороченной забойкой из бетона и металла на Корфов-ском каменном карьере в скважинах диаметром 115 мм, пробуренных в гранодио-ритах XII категории крепости по СНиП.
Скважины располагали в первом ряду и взрывали одновременно.
На рис. 2 представлена схема конструкции зарядов.
Масса заряда в скважинах №№ 1-3 составила 100 кг, в остальных - по 90 кг граммонита 79/21. В скважине 1 размещена цементно-песчаная забойка на расширяющемся быстротвердеющем цементе длиной 0,8 м. Цементно-песчаную смесь состава 1:3 (цемент : песок) при водоцементном отношении 0,3 готовили непосредственно на блоке в небольшой емкости и порциями подавали в скважину, уплотняя ее металлическим прутом. Время выдержки цементно-песчаной забойки до взрыва составило 3,5 часа.
В скважине 2 выполнена обычно применяемая на карьере забойка из бурового шлама. В скважине 3 размещена металлическая запирающая забойка, представленная на рис. 3. На рис. 3, а показаны элементы забойки (распорные конусы и кор-
Рис. 3. Металлическая запирающая забойка
пус), на рис. 3, б - забойка в сборе, на рис.
3, в - забойка перед погружением в скважину с ключом для стягивания распорных конусов.
Металлическую запирающую забойку опускают в скважину на канатике. Конуса смещают навстречу друг другу вращением гайки торцовым ключом, обеспечивая предварительный распор забойки расширением ими лепестков верхней и нижней разрезных частей корпуса. По техническим причинам забойка длиной 0,6 м была погружена в скважину только на 0,1 м от
устья.
Заряд в скважине 4 выполнен без забойки для фиксирования момента взрыва серии скважин на видеопленке.
В скважину 5 размещена металлическая распорная забойка (рис. 4). На рис. 4, а, показаны элементы забойки - распорный конус с канатиком и корпус, соединенный с распорной трубой. На рис. 4, б показана забойка в сборе.
Забойка распирается в скважине с помощью натяжного приспособления.
После детонации заряда ВВ в зарядной
б
а
в
Рис. 4. Металлическая распорная забойка
полости резко возрастает давление продуктов детонации до величин в десятки тысяч атмосфер и происходит динамический удар газов по нижнему распорному конусу. Наружный диаметр корпуса забоек составил 110 мм, толщина корпуса в нижней части кони-ческого расширения составила около 1 мм, площадь кольца, воспринимающего давление продуктов детонации составила 1,7 см2, в то время как площадь распорного конуса составила около 95 см2, т.е. в 56 раз больше. За счет большой поверхности конуса величина воспринимаемого усилия значительна, что приводит к дополнительному вдавливанию его в нижнее коническое расширение корпуса и окончательному его заклиниванию в скважине.
Видеосъемка взрыва осуществлялась цифровой видеокамерой NV-GS11 с 24 кратным оптическим увеличением с расстояния 700 м (из-за пределов опасной зоны взрыва). Покадровая видеограмма съемки приведена на рис. 5.
Анализируя рис. 5 можно отметить следующее. Поскольку частота съемки видеокамерой составляет 25 кадр/с, интервал между кадрами в 40 мс для взрыва достаточно велик, но, тем не менее, можно сделать определенные выводы о процессе развития взрыва во времени и пространстве.
Прежде всего, следует отметить достаточно удачное совпадение начала взрыва с первым кадром видеосъемки, что позволяет, с определенной степенью точности считать этот момент нулевым (рис. 5, а). На кадре с отметкой времени 0 мс видно пламя от детонации ДТТТ и одновременно заметно начало выброса продуктов детонации из скважины № 4 (без забойки).
У скважины 1 с цементно-песчаной забойкой можно заметить легкое облачко газов, видимо, просочившихся через металлическую трубку диаметром 12 мм для пропуска ДТТТ в скважину. Последнее свидетельствует о том, что за три с половиной
часа, прошедшие от ее установки до взрыва, забойка схватилась, поэтому скважина № 1 взрывалась с задержкой продуктов взрыва забойкой до 40 мс, как и скважины 3 и 5 с металлическими забойками.
Рис. 5, а свидетельствует о том, что к 40 мс произошел выброс обоих металлических забоек из скважин - четко видны столбы выброса продуктов детонации и началось разрушение цементнопесчаной забойки (виден характерный рыжеватый столб выброса). К 160 мс (рис. 5, б) разрушение цементно-песчаной забойки завершилось и виден четкий столб выброса продуктов детонации, сравнявшийся по высоте с выбросом из скважины
4, в которой забойки не было. Этот же кадр зафиксировал начало прорыва газов в верхней части уступа в сторону откоса через массив горных пород толщиной 2,5-3,0 м и вспучивание верхней части уступа. Это можно считать началом процесса разрушения уступа в его верхней части в районе скважин 1 и 3-5. При этом следует учесть, что нижняя часть забойки располагалась в скважине 1 на глубине 0,8 м, в скважине 3 - 0,7 м и в скважине 5 - 1,5 м. Поэтому разрушение горной породы и началось в районе устья скважин, в сторону наименьшего сопротивления, при очень высоком давлении продуктов детонации (они еще не прорвались через горную породу в районе откоса уступа). На следующих кадрах видно, что от скважин 3-5 идет вспучивание откоса уступа и начинается быстрый выброс взрываемого объема. Плотное запирание газов взрыва в скважинах 3 и 5 и частичное разрушение верхней части уступа у скважины 4 обеспечило динамичное развитие взрыва в правой части. Это можно объяснить существенным увеличением зарядной полости по объему и влиянием запирания газов взрыва металлическими забойками вплоть до разрушения массива горных пород в районе устьев скважин 3 и 5.
В районе скважины 2 с забойкой длиной 5 м из бурового шлама таких процессов не наблюдается. Фрагменты разрушенных металлических забоек, собранные
после взрыва, позволяют сделать вывод о том, что они были выброшены из скважин в результате разрушения горной породы в районе устья скважин: на корпусах ме-
Рис. 6. Фрагменты металлических забоек после взрыва
Рис. 7. Общий вид забоя после взрыва
таллических забоек нет следов скольжения по скважине. Корпуса забоек имели толщину 5 мм. Смятие породы стенок скважин очень большим давлением стенок корпуса металлических забоек привело к вдавливанию тонких стенок корпусов забоек в раздавленную породу, и они были пронизаны распорными конусами. Цилиндрический корпус запирающей забойки лопнул по всей длине, у распорной забойки были оборваны лепестки наружного корпуса (рис. 6).
Длина забойки из бурового шлама в 5 м исключает воздействие заряда скважины
№ 2 на верхнюю часть уступа (это особенно хорошо видно на рис. 7 - только у скважины 2 видны крупные камни в верхней части уступа), а одна скважина № 1 смогла произвести только сильное отко-лообразование в глубь массива и вдоль уступа. В то же время в районе скважины 1 отмечается более мелкое дробление горной массы, чем у других скважин.
Выводы.
3,5 часа достаточно для схватывания цементно-песчаной смеси и обретения ею прочности, способной противостоять в первый момент взрыву заряда ВВ массой 100 кг. В то же время даже задержка газов взрыва до 40 мс такой забойкой резко усилила действие взрыва, о чем свидетельствует заколы на уступе и более мелкое дробление горной массы в районе этой скважины.
Металлические распорные забойки выдерживают давление газов взрыва зарядов ВВ массой 90-100 кг, вплоть до разрушения окружающих их горных пород, без скольжения по скважине.
Укороченная до 7-14 диаметров заряда забойка с воздушным промежутком под нею позволяет качественно проработать верхнюю часть уступа и повысить степень дробления пород в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Друкованый М.Ф., Комир В.М., Семенюк И.А. К вопросу о влиянии величины забойки на качество дробления горных пород взрывом в карьерах // Сб. Взрывное дело № 59/16. - М.: Недра, 1966. - С. 166-177.
2. Сумин И.П., Гордеев П.А., Зольников В.В. Исследование влияния длины забойки на степень дробления горной массы взрывом скважинных зарядов // Сб. Взрывное дело № 54/11. - М.: Недра, 1964. - С. 185-189.
3. Комир В.М., Семенюк И.А., Петряшин И.Ф. Экспериментальные исследования влияния укороченной забойки на результаты взрыва // Сб. Взрывное дело № 70/27. - М.: Недра, 1971. - С. 279-285.
4. Легастаев Е.Г. Исследование влияния расширяющейся забойки шпуров на результаты взрыва // Сб. Взрывное дело № 59/16. - М.: Недра, 1966. - С. 262-266.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------------------
Шевкун Е.Б. - доктор технических наук, профессор,
Лещинский А.В. - кандидат технических наук, доцент,
кафедра «Строительные и дорожные машины» со специализацией «Открытые горные работы» Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ, г. Хабаровск).
------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЧЕРТОВ Роман Александрович Математическое моделирование электротехнического комплекса «Установка элек-троцентробежного насоса» нефтегазодобывающих предприятий 05.09.03 к.т.н.
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СТУКАЛОВА Наталья Геннадьевна Разработка методов, обеспечивающих рациональное взаимодействие добывающих и перерабатывающих предприятий горнообогатительных комплексов с использованием математического моделирования 25.00.35 к.т.н.
