СКВАЖИННЫЙ ЗАРЯД ПЕРЕМЕННОГО ДИАМЕТРА ДЛЯ РЫХЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
VARIABLE-DIAMETER BOREHOLE CHARGE FOR LOOSENING OF ROCKS

Изобретение относится к области буровзрывных работ и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывное рыхление скальных массивов горных пород.
Известно, что воздушный слой между зарядом и стенками зарядной полости позволяет уменьшить долю энергии взрыва на пластические деформации и переизмельчение породы вблизи заряда и за счет этого увеличить долю энергии на разрушение и выброс большего объема горной породы /1/. Известна также способность скважинных зарядов с воздушной подушкой в нижнем торце заряда увеличивать дальность отброса горной массы от остающегося целика массива горных пород и снижать высоту развала при качественной проработке подошвы до уровня забоя скважин /2/. Это позволяет увеличивать высоту уступа при взрывном рыхлении скальных горных пород, вынимаемых экскаваторами типа обратная лопата.
Известно также устройство для создания рассредоточенных зарядов и образования воздушных промежутков в скважинах, включающее закрытый с нижнего конца рукав из эластичного материала с грузом, которое снабжено жестким кольцом и воронкой из эластичного материала, нижнее основание которой соединено с верхним концом рукава, а жесткое кольцо вмонтировано в верхнее основание, при этом диаметры рукава и жесткого кольца выполнены превышающими диаметр скважины, соответственно, на 10-20 мм и 150-250 мм; рукав и воронка изготовлены из тканого полипропилена; устройство содержит, по крайней мере, два рукава разной длины с воронкой и жесткими кольцами, размещенными один в другом /3/. С его помощью можно сформировать заряд с воздушными промежутками в заданном месте.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение высоты развала горной массы и уменьшение затрат при дроблении горных пород средней крепости.
Поставленная задача достигается тем, что конструкция заряжаемой скважины включает воздушную полость, сформированный над ней заряд переменного диаметра, заряд содержит два закрытых с нижнего конца рукава из эластичного материала разной длины, размещенных один в другом, выполненные на заданную высоту ВВ, причем внешний рукав выполнен размером, большим диаметра скважины, боевик, согласно изобретению, внутренний (верхний) рукав выполнен размером, меньшим диаметра скважины, нижняя часть внутреннего рукава с зарядом лежит на верхней части нижнего заряда, при этом между внешним и внутренним рукавами формируется воздушная оболочка; боевик размещают в верхней части нижнего заряда либо в нижней части верхнего заряда.
На фиг. 1 схематично изображена конструкция заряжаемой скважины с зарядом переменного диаметра с размещением боевика в верхней части нижнего заряда; на фиг. 2 - выполнение верхнего рукава ступенчатого диаметра с размещением боевика в верхнем заряде; на фиг. 3 - развал горной массы при взрывании обычных сплошных зарядов; на фиг. 4 - развал горной массы при взрывании скважинных зарядов переменного диаметра.
Конструкция заряжаемой скважины с зарядом переменного диаметра состоит из нижнего заряда 1, размещенного над воздушной полостью 2 в рукав 3 размером, большим диаметра скважины 4, и верхнего заряда 5, размещенного в рукав 6 размером, меньшим диаметра скважины 4 с образованием воздушной оболочки 7 между рукавами 6 и 3 и стенками скважины 4; над зарядом 5 в рукаве 6 размещена забойка 8.
Скважинный заряд переменного диаметра формируют следующим образом.
Вначале в скважину 4 опускают рукав 3 размером больше диаметра скважины 4 на 15-20 мм, который с помощью воронки 9 закрепляется в устье скважины 4 так, что под ним остается воздушная полость 2 заданной высоты. После этого засыпкой в рукав 3 взрывчатого вещества (ВВ) формируют нижний заряд 1 на заданную высоту и размещают в его верхней части боевик 10 на проводнике инициирующего импульса 11. При формировании нижнего заряда 1 рукав 3 расширяется и распирается в стенки скважины 4. Этим обеспечивается плотный контакт нижнего заряда 1 со стенками скважины 4 и передача массы вышележащего ВВ нижнего заряда на стенки скважины 4, что, с одной стороны, снимает нагрузку с рукава 3, с другой - обеспечивает передачу всей энергии заряда на дробление горных пород.
Завершив формирование нижнего заряда 1, внутрь рукава 3 до контакта с нижним зарядом 1 опускают рукав 6 размером, меньшим диаметра скважины 4, помещая его воронку 12 в воронку 9. Затем засыпают ВВ в рукав 6 и формируют на заданную высоту верхний заряд 5, при этом между рукавами 6 рукавом 3 и стенками скважины 4 образуется воздушная оболочка 7. Над верхним зарядом 5 в рукаве 6 размещают забойку 8. Опора рукава 6 на нижний заряд 1 предохраняет его от возможного обрыва за счет массы верхнего заряда 5 и забойки 8.
Для снижения нагрузки на рукав 6 его на длине забойки можно выполнить диаметром, большим диаметра скважины, передавая тем самым вес забойки 8 на стенки скважины 4. Кроме того, при этом улучшается запирающее действие забойки исключением воздушной оболочки 7 в районе забойки.
Размещение боевика 10 в нижней части верхнего заряда 5 упрощает зарядку, сохраняя принципиальную сущность механизма детонации скважинного заряда переменного диаметра.
Скважинный заряд переменного диаметра при рыхлении горных пород работает следующим образом.
После детонации боевика 10 детонационная волна распространяется по нижнему заряду 1 вниз, к воздушной полости 2, и вверх, к верхнему заряду 5, возбуждая в нем детонационную волну, распространяющуюся вверх, к забойке 8. Механизм передачи в горную породу энергии взрыва от нижнего заряда 1 и верхнего заряда 5 различен, но в обоих случаях он способствует снижению доли энергии на пластические деформации горной породы вблизи заряда и увеличению длительности воздействия продуктов взрыва на массив горных пород, увеличивая долю энергии на дробление и перемещение пород от откоса уступа.
Установлено /4/, что ударная волна, распространяющаяся по воздушной полости в нижнем торце заряда, достигнув забоя скважины, отражается от него, а давление на фронте отраженной волны возрастает на порядок, что способствует улучшению проработки подошвы уступа. Кроме того, увеличивается продолжительность действия продуктов взрыва на стенки скважины при снижении их пикового давления. Оптимальная длина воздушной полости составляет 0,25-0,35 длины скважинного заряда. Тогда длина нижнего заряда может составлять, например, 4 м при длине воздушной полости 1 м. Конкретные параметры длины воздушной полости и нижнего заряда подбирают опытным путем, исходя из условий предприятия.
Благодаря воздушной оболочке у верхнего заряда 5 продукты взрыва расширяются в большем объеме, что позволяет снизить пик их давления, кроме того, отсутствие прямого контакта заряда с горной породой также снижает долю энергии на переизмельчение горной породы вблизи заряда и за счет этого увеличивает долю энергии на разрушение и выброс большего объема породы. Воздушная оболочка у заряда служит как бы компенсатором, растягивающим во времени нарастающее давление и уменьшающим его, а также увеличивающим время воздействия газов взрыва на разрушаемую породу, и одновременно снижает расход ВВ /1/. Длину и диаметр верхнего заряда также подбирают опытным путем, исходя из условий предприятия.
Пример выполнения заявляемого технического решения рассмотрим на опыте работы разреза «Буреинский-2», где обычные скважинные заряды сплошной конструкции диаметром 220-250 мм в песчаниках крепостью f=4-6 при поскважинном взрывании системой ИСКРА приводили к формированию высоты развала взорванной горной массы вдвое больше высоты уступа (фиг. 3). А при работе обратных лопат, на которые переходит большинство горных предприятий, предпочтителен пониженный развал горной массы.
3
На фиг. 4 представлен развал горной массы, полученный при взрывании скважинных зарядов переменного диаметра по той же сетке скважин 6×6 м со следующими параметрами: диаметр скважины 250 мм (вместимость Граммонита М - 52 кг/м), глубина скважин - 12 м, высота воздушной подушки -1 м, высота нижнего заряда - 4 м, высота верхнего заряда - 4 м, диаметр верхнего заряда 160 мм (вместимость Граммонита М - 32 кг/м), длина забойки - 3 м. Как видно на фиг. 4, развал горной массы практически не превысил высоты уступа. Экскаватор выбрал горную массу по отметке забоев скважин (перебур не понадобился). Снижение расхода ВВ за счет отказа от перебура и уменьшения диаметра верхнего заряда составило 132 кг по каждой скважине или 0,5 кг/м.
Таким образом, заявляемая конструкция заряжаемой скважины позволяет решить поставленную техническую задачу за счет снижения высоты развала горной массы практически вдвое и уменьшения расхода ВВ в среднем на 25-30%.
Источники информации
1. Мельников Н.В., Марченко Л.Н. К вопросу о работе и механизме действия взрыва в твердых средах // Сб. Взрывное дело №45/2. М.: Госгортехиздат, 1960. - С. 5-19.
2. Шевкун Е.Б., Лещинский А.В., Добровольский А.И., Галимьянов А.А. Совершенствование взрывных работ на разрезе «Буреинский-2» ОАО «Ургалуголь» // Уголь. 2014, №1. С 11-14.
3. Патент Российской Федерации на полезную модель №46299, МПК Е21С 2005.
4. Жунусов К. Отбойка скальных пород зарядами с воздушной подушкой / Алма-Ата, «Наука» КазССР, 1979, 120 с.