СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ В РУКАВ КОРОТКОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ ЗАБОЙКИ ВЗРЫВНЫХ СКВАЖИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GOPHER HOLE FORMATION OF SHORT COMBINED STEMMING OF BLAST HOLES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области буровзрывных работ и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывное рыхление скальных массивов горных пород.
Известно, что наилучшее дробление горных пород взрывом обеспечивается применением укороченной забойки с воздушным промежутком над зарядом /1/. Общепринятая в практике ведения взрывных работ длина засыпной забойки составляет 14-28 диаметров взрывной скважины. Укороченной считают забойку длиной от 10 до 14 диаметров скважины, все, что меньше 10 диаметров - короткая забойка. Короткие забойки увеличивают зону регулируемого дробления, снижают выход негабарита, но должны обладать повышенным сопротивлением выбросу давлением газов взрыва - запирать их вплоть до момента разрушения массива горных пород в районе устья скважины, поэтому их выполняют комбинированными, размещая различные заклинивающиеся или твердеющие элементы в комбинации с засыпной частью /2/.
Известно формирование комбинированной засыпной забойки скважин следующим образом. Вначале над зарядом ВВ известным способом выполняют воздушный промежуток, например, с помощью подвесного рукава типа «чехла Матренина» /3/, представляющего собой закрытый с нижнего конца эластичный рукав с грузом, снабженный жестким кольцом и воронкой из тканого полипропилена, нижнее основание которой соединено с верхним концом рукава, а жесткое кольцо вмонтировано в верхнее основание, при этом диаметры эластичного рукава и жесткого кольца выполнены превышающими диаметр скважины соответственно на 10-20 мм и 150-250 мм, что обеспечивает надежный распор рукава в скважине и снижение нагрузки на него. Затем формируют засыпной участок размещением сыпучего инертного материала в подвесной рукав на заданную высоту. После чего формируют буферный промежуток из пенополистирола, аналогично воздушному промежутку, а на него на шнуре опускают острием вверх конус, например бетонный. Пространство между стенками скважины и конусом на всю его высоту заполняют щебнем, а затем до устья скважины засыпают мелкодисперсный инертный материал, например буровой шлам /4/.
Однако, как показали опытные взрывы, при размещении конуса в подвесной рукав типа «чехла Матренина» возникают проблемы следующего характера. Проходное отверстие опорной воронки «чехла Матренина», выполненной из эластичного материала, составляет 0,9 диаметра скважины (так, для скважин диаметром 220 мм, отверстие воронки равно 200 мм), а она часто деформируется из-за нарушенности устья скважин, поэтому конус должен иметь еще меньший диаметр, что снижает надежность запирания продуктов взрыва. Кроме того, существует опасность повреждения проводника инициирующего импульса при засыпке щебня на большую глубину.
Известно также устройство для запирания продуктов взрыва в зарядной полости скважины в виде комбинированной засыпной забойки взрывных скважин с элементами каменного материала, включающей нижнюю засыпную часть из инертных сыпучих материалов над воздушным промежутком и верхнюю комбинированную часть, в которой верхняя комбинированная часть забойки разделена на два отрезка: нижний отрезок длиной до трех диаметров скважины, заполненный элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, перемежающимися инертным сыпучим материалом крупностью менее 5 мм, и верхний, заполненный до верха скважины этим же инертным сыпучим материалом /3/.
Забойки такой конструкции либо не вылетают вовсе, либо их выброс происходит через 120-160 мс после вылета обычных засыпных забоек такой же длины; тем самым обеспечивается большая длительность запирания продуктов детонации в зарядной полости. Однако при формировании таких забоек в рукава каменный материал отбрасывается упругими стенками рукава к его центру, что резко снижает возможность расклинивания камней в стенки скважины. Кроме того, камни приходится сбрасывать в воронку рукава по одному и при больших диаметрах скважин на длине 10 диаметров (2,5 м для скважин 250 мм) камни приобретают большую скорость и могут повредить проводник инициирующего импульса.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности запирания продуктов детонации в зарядной полости короткой комбинированной забойкой, установленной в рукав, снижение затрат и обеспечение безопасного ее формирования применением специального транспортного контейнера.
Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования в рукав короткой комбинированной забойки взрывных скважин, включающем формирование нижней засыпной части из инертных мелкодисперсных материалов над воздушным промежутком и верхней комбинированной части, заполненной элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, согласно изобретению короткую комбинированную забойку формируют послойно, начиная с засыпки в создающий воздушный промежуток рукав нижней засыпной части в виде слоя инертного мелкодисперсного материала высотой 1-2 диаметра скважины, на него размещают слой из элементов каменного материала, для этого в опорную воронку рукава вводят вставленный в мягкий мешок транспортный контейнер с каменным материалом и отпускают мягкий мешок, который плавно соскальзывает по натянутому рукаву до слоя инертного мелкодисперсного материала, после этого транспортный контейнер удаляют из опорной воронки и снова засыпают слой инертного мелкодисперсного материала высотой 0,5-1,5 диаметра скважины, на который опять разгружают каменный материал из транспортного контейнера; процесс повторяют до полного формирования комбинированной забойки.
Поставленная задача достигается также тем, что короткую комбинированную забойку взрывных скважин в рукав формируют транспортным контейнером, согласно изобретению выполненным из металла или пластических масс в виде снабженного несущим шнуром верхнего кольца размером 0,8-0,9 внутреннего диаметра опорной воронки рукава, в котором равномерно закреплены прутки с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала; транспортный контейнер вставлен в мягкий мешок размером на 20-30% большим диаметра скважины.
На рисунках схематично представлен процесс формирования в рукав короткой комбинированной забойки взрывных скважин с помощью транспортного контейнера.
На фиг. 1 схематично изображен процесс ввода в рукав транспортного контейнера с каменным материалом; на фиг. 2 - положение мягкого мешка с каменным материалом в рукаве; на фиг. 3 - сформированная в рукаве короткая комбинированная забойка взрывных скважин. На фиг. 4 показан транспортный контейнер, загруженный каменным материалом. На фиг. 5 - ввод транспортного контейнера в опорную воронку, на фиг. 6 - извлечение транспортного контейнера из опорной воронки.
Способ формирования в рукав короткой комбинированной забойки взрывных скважин осуществляют следующим образом. После зарядки к каждой взрывной скважине 1 подвозят транспортные контейнеры 2, заполненные элементами каменного материала в виде крупных камней 3 размером 0,5-0,6 диаметра скважины вперемешку со средними камнями 4 размером 0,2-0,4 диаметра скважины. Количество таких контейнеров определяется высотой и количеством слоев каменного материала, планируемых к размещению в данной скважине.
Транспортный контейнер 2 выполнен из металла или пластических масс и представляет собой снабженное несущим шнуром 5 верхнее кольцо 6 размером 0,8-0,9 внутреннего диаметра опорной воронки 7 рукава 8, на котором равномерно закреплены прутки 9 с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала. Высоту прутков 9 подбирают такой, чтобы транспортный контейнер вмещал объем каменного материала, позволяющий разместить его слоем высотой 0,5-1,0 диаметра скважины (высота слоя растет с уменьшением диаметра скважины). Назначение транспортного контейнера 2 - сформировать элементы каменного материала в столб диаметром, меньшим проходного диаметра опорной воронки 7. Транспортный контейнер 2 вставлен в мягкий мешок 10 размером на 20-30% большим диаметра скважины 1, выполненный, например, из тканого полипропилена. Мягкий мешок 10 служит для предотвращения выпадения камней из транспортного контейнера 2 при переноске, опускания его в опорную воронку 7 и продвижения по рукаву 8. Высота мягкого мешка 10 должна быть сравнима с высотой транспортного контейнера 2, а значительная ширина мягкого мешка 10 позволяет каменному материалу, выходящему столбиком из транспортного контейнера 2, занять все сечение скважины за счет расползания как самого мягкого мешка 10, так и рукава 8, также выполненного диаметром большим диаметра скважины 1.
В скважине 1 над зарядом ВВ 11 формируют воздушный промежуток 12, высота которого равна разности между глубиной скважины 1 и суммарной высотой заряда ВВ 11 и формируемой забойки путем установки рукава 8, например «чехла Матренина» для сухих скважин, или полиэтиленового рукава для обводненных. В рукав 8 формируют нижнюю засыпную часть 13 забойки сыпучим инертным материалом 14, например буровым шламом, засыпая его слоем высотой 1-2 диаметра скважины. Этот первый засыпной слой служит для минимизации прорыва продуктов взрыва через короткую комбинированную забойку. После этого приступают к формированию первого слоя 15 из элементов каменного материала верхней комбинированной части забойки. Для этого свободный конец несущего шнура 5 закрепляют на поверхности блока, например за камень, и за верхнюю часть мягкого мешка 10 транспортный контейнер 2 подносят и опускают нижней частью в опорную воронку 7. После прохождения большей части мягкого мешка 10 через опорную воронку 7 его отпускают, придерживая транспортный контейнер 2 за несущий шнур 5. За счет массы камней мягкий мешок 10 снимается с прутков 9, начинает расширяться под давлением каменного материала, прижимается к натянутому нижней засыпной частью 13 рукаву 8 и с трением скользит вниз, исключая возможность повреждения проводника инициирующего импульса 16, расположенного за рукавом 8, а транспортный контейнер 2 за шнур 5 извлекают из опорной воронки 7, вынимая вручную заклиненные элементы каменного материала, если таковые имеются. Именно выполнение стенки транспортного контейнера 2 из прутков обеспечивает минимальный ее контакт с элементами каменного материала и, соответственно, минимальный их зажим. При выполнении транспортного контейнера в виде сплошной трубы каменный материал расклинивается в ней и не высыпается даже при неоднократном сильном встряхивании. А вибрации прутков 9 при схождении мягкого мешка 10 освобождают немногие зажатые куски, и происходит полное освобождение транспортного контейнера 2 от камней.
Снявшийся с прутков 9 мягкий мешок 10 опускается до нижней засыпной части 13 и, под действием массы каменного материала расправляется, занимает все сечение скважины 1 и прижимается через рукав 8 к ее стенкам, копируя их неровности и оставаясь, как показала опытная зарядка, открытым. При этом за счет плавного расползания мягкий мешок 10 прижимает через рукав 8 проводник инициирующего импульса 16 к стенкам скважины 1, исключая возможность его повреждения при формировании слоя каменного материала 15 комбинированной части забойки.
После формирования слоя каменного материала 15 в рукав 8 снова засыпают порциями сыпучий инертный материал 14 до достижения высоты слоя засыпки 17 над слоем каменного материала 15 в 0,5-1,5 диаметра скважины. Часть сыпучего инертного материала 14 попадает внутрь мягкого мешка 10, заполняя промежутки между элементами каменного материала, что способствует повышению газонепроницаемости забойки. Затем процесс формирования слоев каменного материала и засыпных повторяют до полного заполнения отведенного под забойку участка скважины 1.
После детонации заряда ВВ 11 в зарядной полости резко возрастает давление продуктов детонации до величин в несколько десятков тысяч атмосфер и происходит удар газов по нижней части 13 забойки, существенно смягченный воздушным промежутком.
Экспериментально установлено /6/, что в засыпной забойке из зернистых материалов в первый момент времени после детонации заряда забоечный материал уплотняется в виде пробки и плотно расклинивается в скважине. После уплотнения, независимо от используемого материала, забойка срезается и выбрасывается с возрастающей скоростью, зарядная полость разгерметизируется и часть продуктов детонации из нее выбрасывается, не совершив полезной работы. Для исключения этого явления в комбинированной части забойки предусмотрено чередование слоев 15 с элементами каменного материала и засыпных слоев 17.
Начавшая движение нижняя засыпная часть 13 забойки воздействует на камни 3 и 4 слоя 15, расклинивая все камни как между собой, так и в стенки скважины 1. При этом крупные камни 3 могут разрушаться до камней среднего размера 4, те, в свою очередь, переходят в более мелкий щебень. Процесс носит скачкообразный характер и возникает, и развивается в каждом слое 15 заново, что в целом существенно увеличивает затраты времени на выброс забойки.
При проведении экспериментальных взрывов в скважинах диаметром 250 мм послойное размещение элементов каменного материала в комбинированной забойке проводили транспортным контейнером, в верхнем кольце которого диаметром 200 мм закреплены с шагом 30 мм прутки длиной 400 мм и толщиной 10 мм (см. фиг. 4), а буровой шлам засыпали обычной лопатой. При таких размерах транспортного контейнера высота слоя каменного материала в скважине составила 0,1-0,15 м (0,4-0,6 диаметра скважины).
Выброс из скважины комбинированной забойки высотой 1,5 м (6 диаметров скважины) начался через 240 мс после начала взрыва, в то время как выброс засыпных забоек высотой 2,5 м и 3,5 м (10 и 14 диаметров скважины соответственно) начался одновременно через 160 мс. Комбинированная забойка высотой 2 м (8 диаметров скважины) не была выброшена вовсе.
Замена одного отрезка длиной до трех диаметров скважины, заполненного элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины в прототипе несколькими слоями каменного материалов, позволяет повысить надежность работы забойки независимо от состояния стенок скважин. Ведь именно на участке от поверхности уступа высотой 10-15 диаметров размещался перебур скважин вышележащего уступа, поэтому здесь и наибольшая нарушенность стенок скважины, вывалы в них. А расползание мягкого мешка и подвесного рукава с размерами, заведомо большими, чем номинальный диаметр скважины, позволяет как бы копировать стенки скважины и заполнять все неровности в них и вывалы каменным материалом, тем самым повышая его защемление и сопротивление выбросу. Обеспечивая длительную замкнутость зарядной полости, забойка способствует более полному протеканию вторичных реакций в продуктах детонации и соответственно повышает энергию взрыва; это особенно важно для современных эмульсионных ВВ и крупнодисперсных ВВ типа гранулитов и граммонитов, у которых значительная доля энергии выделяется в процессе вторичных реакций.
Таким образом, заявляемый способ формирования в рукав короткой комбинированной забойки взрывных скважин и устройство для его осуществления в виде транспортного контейнера позволяют формировать именно в верхней, самой разрушенной части скважины, короткую комбинированную забойку с элементами каменного материала с гарантией целости проводника инициирующего импульса и запирать ею продукты взрыва в зарядной полости до разрушения массива. За счет этого повышается не только эффективность использования энергии взрыва на дробление пород, но и снижаются затраты на применение забойки, поскольку она занимает меньшую высоту, обеспечивая увеличенную зону регулируемого действия взрыва со всеми положительными последствиями, а также обеспечивает безопасность формирования забойки путем исключения ударов камней по проводнику инициирующего импульса, что позволяет решить поставленную техническую задачу.
Источники информации
1. Влияние забойки на степень дробления горных пород взрывом / Г.П. Демидюк, В.Д. Росси, Н.Ф. Андрианов, В.А. Усачев // Сб. Взрывное дело №53/10. М.: Недра, 1963. - С. 96-105.
2. Шевкун Е.Б., Лещинский А.В. Комбинированная забойка взрывных скважин на карьерах. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2013. - 201 с.
3. Патент Российской Федерации на полезную модель №46299, МПК Е21С. 2005.
4. Патент Российской Федерации №2462688, МПК F42D 1/08. 2012 (прототип).
5. Патент Российской Федерации №2526950, МПК F42D 1/08. 2014 (прототип).
6. Миндели Э.О., Демчук П.Α., Александров В.Е. Забойка шпуров. - М.: «Недра», 1967. - 152 с.