СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА
METHOD FOR DETERMINING RELATIVE STRENGTH OF EXPLOSIVE

Изобретение относится к взрывным работам и может быть использовано в горнодобывающей промышленности для оценки взрывной эффективности различных типов промышленных взрывчатых веществ, применяемых при отбойке горных пород на карьерах скважинными зарядами.
Взрывные работы в промышленности и строительстве являются основным направлением созидательного использования энергии взрывчатых веществ для решения основной задачи - перемещение больших и дробление на транспортабельные куски объемов горной породы непосредственным действием взрыва.
В настоящее время широкое распространение получили различные типы аммиачно-селитренных взрывчатых веществ, изготовляемые непосредственно на местах ведения взрывных работ. Аммиачно-селитренные взрывчатые вещества, изготавливаемые на местах ведения взрывных работ, имеют большой критический диаметр детонации при более низкой скорости детонации, низкую чувствительность к механическим воздействиям, безопасны в изготовлении. Знания значений детонационных параметров, чувствительности к детонационному импульсу, величины работоспособности, определенной как в лабораторных условиях (по пробе Трауцля в свинцовой бомбе, по методу баллистического маятника или по методу баллистической мортиры), так и в полигонных условиях при производстве маломасштабных взрывов (1, 2), недостаточно, чтобы произвести полноценный расчет параметров взрывной отбойки скважинных зарядов на карьере при переходе с одного состава взрывчатого вещества на другой в условиях изменения в широком диапазоне горно-геологических и горнотехнических характеристик взрываемой горной породы. Для достоверного расчета геометрических параметров расположения скважинных зарядов при взрывной отбойке горных пород на карьере в случае замены одного взрывчатого вещества на другое необходимо иметь данные по работоспособности используемого (эталонного) и рекомендуемого на замен взрывчатого вещества, полученные на горных породах в условиях действующего карьера. В производственной практике в условиях действующего предприятия относительную работоспособность взрывчатого вещества определяют путем сравнительного анализа результатов многочисленных промышленных взрывов, проведенных непосредственно на карьере использования этих взрывчатых веществ методом последовательного приближения параметров скважинных зарядов к требуемому результату. Такой способ является чрезвычайно затратным и трудоемким и не позволяет однозначно оценить работоспособность сравниваемых взрывчатых веществ.
Известен способ определения относительной работоспособности взрывчатых веществ по изменению объемов внутренних полостей измерительных колец из стали 45 диаметром не менее 150 мм, высотой 30-50 мм, размещенных на стальной бесшовной трубе диаметром не менее 50 мм с толщиной стенки не менее 5 мм и длиной не менее 10 диаметров заряда, заполненных исследуемым или эталонным взрывчатым веществом (3). Указанный метод оценки относительной работоспособности взрывчатого вещества не учитывает реальный процесс и масштаб отбойки горной породы скважинными зарядами в процессе проведения промышленных взрывов на действующем карьере.
Известен способ определения относительной работоспособности взрывчатых веществ, который включает бурение скважин с верхней поверхности уступа, расположение в них взрывчатых веществ и проведение взрыва с рыхлением породы при обрушении уступа; по результатам испытаний базисного и испытываемого взрывчатых веществ сравнивают разницу в изменении объемов разрушенной породы до и после взрыва в абсолютных показателях, затем определяют коэффициент относительной работоспособности взрывчатого вещества путем деления изменения объема породы, вызванного взрывом нового взрывчатого вещества, на изменение объема породы, полученного в результате применения базисного взрывчатого вещества, при этом объемы блока породы до и после взрыва оперативно определяют при помощи лазерного сканирования (4), принятый авторами в качестве прототипа. Недостатком способа-прототипа является длительность и сложность обмера и расчета объемов блоков до и после взрыва, а также неопределенность в выборе размеров блоков до взрыва, что не позволяет произвести однозначную оценку коэффициента относительной работоспособности взрывчатых веществ.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности ведения взрывных работ за счет повышения надежности и достоверности определения относительной работоспособности различных типов взрывчатых веществ при отбойке горных пород на карьерах при изменении горнотехнических и горно-геологических условий взрываемого массива; снижения трудоемкости и стоимости ведения взрывных работ при сохранении требований по дроблению и качеству отбойки породы.
Техническая задача была решена разработкой способа определения относительной работоспособности взрывчатого вещества на карьерах, включающего бурение скважин, размещение и взрывание зарядов сравниваемых взрывчатых веществ, обмер параметров взорванного блока и расчет коэффициента относительной работоспособности, в котором взрывы эталонного и исследуемого взрывчатых веществ проводят в однотипных массивах горных пород по горно-геологическим и горнотехническим показателям, после взрыва зарядов сравниваемых взрывчатых веществ замеряют ширину воронки взрыва по линии отрыва горной породы на уровне подошвы уступа вдоль его нижней бровки, а коэффициент относительной работоспособности рассчитывают по формуле:
,
где: Kвв - коэффициент относительной работоспособности взрывчатого вещества,
Rэ - предельный радиус отрыва горной породы по подошве уступа при взрыве заряда эталонного взрывчатого вещества, равный , м;
ВВ
R - предельный радиус отрыва горной породы по подошве уступа при взрыве заряда испытуемого взрывчатого вещества, равный , м;
Э
ВВ
Р, P - вместимость скважины для эталонного и исследуемого взрывчатого вещества, кг/м;
Э
ВВ
В, В - ширина воронки взрыва эталонного и исследуемого взрывчатых веществ по линии отрыва горной породы на уровне подошвы уступа вдоль его нижней бровки, м;
W - сопротивление на уровне подошвы уступа, м.
ВВ
ВВ
Исследуемое взрывчатое вещество при К>1 уступает, а при К<1 превосходит эталонное взрывчатое вещество по взрывной эффективности.
Для оценки относительной работоспособности взрывчатых веществ эталонное и исследуемое взрывчатые вещества размещают в двух скважинах, отстоящих друг от друга на таком расстоянии, при котором результаты взрыва скважинного заряда эталонного взрывчатого вещества не влияют на результаты взрыва скважинного заряда исследуемого взрывчатого вещества.
Относительную работоспособность взрывчатых веществ допускается определять в процессе массового промышленного взрыва, когда эталонное и исследуемое взрывчатые вещества размещают в крайних скважинах первого ряда со стороны откоса уступа горных пород.
Предельный радиус разрушения рассчитывается исходя из замеренной ширины воронки взрыва эталонного или исследуемого взрывчатых веществ по линии отрыва горной породы на уровне подошвы уступа вдоль его нижней бровки.
Способ оперативного и достоверного определения относительной работоспособности взрывчатых веществ по результатам промышленного взрыва на карьере должен быть простым в исполнении, легко выполняться в производственных условиях и достаточно точно воспроизводить процесс реального действия взрыва скважинных зарядов взрывчатых веществ при уступной отбойке горных пород на карьере.
Потребность в разработке способа оперативного определения относительной работоспособности взрывчатых веществ, применяемых при взрываний массивов горных пород на действующих карьерах, объясняется следующими факторами.
В настоящее время разработаны и получили широкое распространение технологии производства аммиачно-селитренных взрывчатых веществ на местах ведения взрывных работ. Взрывчатые вещества изготавливаются на основе аммиачной селитры - главным образом, гранулированные и эмульсионные, которые обладают широким спектром энергетических и детонационных характеристик, поэтому могут использоваться в скважинных зарядах различного диаметра для ведения взрывных работ по породам с различными физико-механическими и гидрогеологическими характеристиками. При ведении массовых взрывов на карьере с разнотипными породами возникает потребность в применении взрывчатых веществ, соответствующих характеристикам разрушаемых взрывом массивов. При наличии оперативного и точного метода определения относительной работоспособности взрывчатых веществ в процессе непосредственного проведения промышленных взрывных работ отпадает необходимость длительного подбора опытным путем взрывчатых веществ для эффективной отбойки конкретных типов пород. Целесообразность создания производств по изготовлению взрывчатых веществ с широким спектром энергетических и детонационных параметров на местах ведения взрывных работ в этом случае становится экономически обоснованной и оправданной.
ВВ
В основу определения коэффициента относительной работоспособности К принята величина предельного радиуса отрыва горных пород (радиус действия взрыва) R по подошве уступа. R является постоянной характеристикой (R=const) для данной разрушаемой среды при взрыве скважинного заряда, имеющего определенную вместимость по взрывчатому веществу в единице длины скважины (P).
Многочисленными опытами установлено, что для данного взрывчатого вещества величина предельного радиуса действия взрыва скважинного заряда по подошве уступа при неизменной вместимости взрывчатого вещества в скважине остается постоянной и независящей от величины линии сопротивления по подошве уступа, преодолеваемой скважинным зарядом, без порогов и завышений отметки подошвы уступа. При оценке относительной работоспособности сравниваемых взрывчатых веществ должны сохраняться неизменными параметры взрывания скважинного заряда, влияющие на его разрушающую способность по подошве уступа, - диаметр и длина заряда, глубина перебура, высота и материал забойки, условия инициирования (расположение промежуточного детонатора в колонке взрывчатого вещества, его размеры и масса, детонационные и энергетические характеристики).
Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой представлены:
а) схема образования воронки разрушения при взрыве заряда взрывчатого вещества в скважине (схема образования воронки взрыва на уступе горных пород);
б) схема расположения скважин с эталонным и исследуемым взрывчатыми веществами при массовом промышленном взрыве:
Обозначения:
1 - верхняя бровка уступа взрываемого блока;
2 - нижняя бровка уступа взрываемого блока;
3 - скважина;
4 - воронка разрушения;
5 - скважины со штатным взрывчатым веществом;
6 - крайняя скважина с исследуемым взрывчатым веществом;
7 - крайняя скважина с эталонным взрывчатым веществом;
Э
ВВ
W, W - линия сопротивления по подошве, м;
Rэ, Rвв - предельный радиус отрыва горной породы по подошве уступа при взрыве заряда (радиус действия взрыва);
Э
ВВ
В, В - ширина воронки взрыва эталонного или исследуемого взрывчатых веществ по линии отрыва горной породы на уровне подошвы уступа вдоль его нижней бровки, м.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При взрыве одиночного скважинного заряда взрывчатого вещества в направлении откоса уступа по всей его высоте образуется наклонная воронка разрушения (фиг.1), которая имеет подобные по форме верхнее и нижнее основания примерно одинаковой площади. По форме верхнее и нижнее основания близки к параболической или эллипсовидной форме. Равенство площадей оснований воронки взрыва подтверждается параллельностью ребра воронки взрыва плоскости откоса уступа.
Предельный радиус разрушения R рассчитывается, исходя из замеренной ширины образовавшейся воронки взрыва по линии отрыва горной породы по подошве уступа вдоль его нижней бровки в точке пересечения воронки взрыва с нижней бровкой уступа.
Аналогичные воронки образуются при взрыве крайних скважинных зарядов взрывчатого вещества, расположенных в первом ряду со стороны откоса уступа горных пород (фиг.1б). В этом случае воронка взрыва, образованная крайними скважинами первого ряда, составляет примерно половину объема воронки от взрыва одиночной скважины в уступе при сохранении численного значения предельного радиуса разрушения по подошве уступа.
ВВ
Указанное обстоятельство позволяет определять относительную работоспособность взрывчатого вещества К как по опытным взрывам одиночных скважинных зарядов в уступе, так и при производстве промышленных массовых взрывов скважинных зарядов различных взрывчатых веществ. Для измерения разрушения по подошве уступа используются воронки, образовавшиеся при взрыве крайних скважин в первом ряду со стороны откоса уступа.
Э
ВВ
Э
ВВ
э
вв
ВВ
ВВ
ВВ
Предлагаемый способ реализуется следующим образом (фиг.1а). На фиг.1 изображена одна воронка разрушения, т.к. тип взрываемого взрывчатого вещества влияет на габариты воронки разрушения, но не на ее форму. На уступе бурятся две обособленные друг от друга скважины для размещения эталонного и исследуемого взрывчатых веществ. Расстояние между скважинами выбирается таким, чтобы результаты взрыва заряда эталонного взрывчатого вещества не повлияли на результаты взрыва исследуемого взрывчатого вещества. Параметры скважинных зарядов эталонного и исследуемого взрывчатых веществ берутся одинаковыми, а параметры скважинного заряда эталонного взрывчатого вещества - сопротивление по подошве уступа, длине колонки заряда, перебур, забойка, условия инициирования принимаются по типовому проекту буровзрывных работ, принятому на данном горном предприятии, или рассчитываются известным способом для получения воронки взрыва с необходимым разрыхлением (дроблением) горных пород. Производится заряжание скважин эталонным и исследуемым взрывчатым веществом и их поочередное взрывание. После взрыва производят измерение ширины образовавшихся воронок взрыва (В или В) по линии отрыва горной породы на уровне подошвы уступа вдоль его нижней бровки, по результатам которых рассчитывают предельные радиусы разрушения от взрыва эталонного (R) и исследуемого (R) взрывчатых веществ. Для применяемых в опытах взрывчатых веществах определяется их насыпная плотность (плотность заряжания) соответственно для эталонного ρ и исследуемого ρ взрывчатых веществ. Вместимость скважины по взрывчатому веществу для известного диаметра (d) заряда рассчитывается по формуле  (кг/м). Коэффициент работоспособности исследуемого взрывчатого вещества относительно эталонного взрывчатого вещества (К) вычисляется по формуле . Зная коэффициент относительной работоспособности взрывчатого вещества (К<1 или К>1) по отношению к ранее применяемому на карьере взрывчатому веществу, рассчитываются по известным методикам необходимые параметры скважинного заряда для нового взрывчатого вещества, обеспечивающего получение такого же взрывного эффекта по дроблению (рыхлению) горных пород, как и с ранее используемым взрывчатым веществом на карьере.
Относительную работоспособность взрывчатых веществ допускается определять в процессе массового промышленного взрыва скважин 5 со штатным взрывчатым веществом, когда эталонное и исследуемое взрывчатые вещества размещают в крайних скважинах 6, 7 первого ряда со стороны откоса уступа горных пород (фиг.1б).
Основные преимущества заявляемого способа определения относительной работоспособности взрывчатого вещества:
- оперативность, высокая точность замера ширины воронки разрушения и расчета предельного радиуса (радиуса действия взрыва) после проведения взрывов скважинных зарядов эталонного и исследуемого взрывчатых веществ;
- достоверность определение коэффициента относительной работоспособности взрывчатых веществ;
- сокращение времени выбора оптимального состава взрывчатого вещества при изменении характеристик отбиваемых горных пород.
Примеры.
Пример №1 - определение коэффициента относительной работоспособности при отбойке горных пород крепостью по М.М.Протодъяконову f=10 на уступе высотой 10 м.
З
ЗАБ.
Э
Э
вв
ВВ
3
3
Диаметр используемых скважин d=0,2 м. Параметры скважинного заряда взрывчатого вещества: сопротивление по подошве уступа W=6 м, длина заряда l=6 м, длина забойки l=5 м. Эталонное взрывчатое вещество - аммонит 6ЖВ с насыпной плотностью ρ=900 кг/м и вместимостью скважины P=28 кг/м. Сравниваемое (исследуемое) взрывчатое вещество - гранулит РП с насыпной плотностью ρ=800 кг/м, имеющего вместимость скважины P=25 кг/м.
ВВ
Э
ВВ
ВВ
Определение коэффициента относительной работоспособности К гранулита РП в сравнении с эталонным аммонитом 6ЖВ производилось по результатам опытных взрывов на уступе одиночных скважинных зарядов взрывчатых веществ. После взрывов образовались две воронки взрыва, в которых измерили ширину воронки разрушения по подошве уступа вдоль его нижней бровки, составившие для эталонного взрывчатого вещества аммонита 6ЖВ В=13,4 м, а предельный радиус по подошве уступа по расчету составил R=9,0 м, а для исследуемого взрывчатого вещества гранулита РП В=10,6 м, а R=8,0 м. Относительная работоспособность гранулита РП к эталонному аммониту 6ЖВ составляет - . Следовательно, взрывная эффективность гранулита РП на 13% ниже эталонного взрывчатого вещества аммонита 6ЖВ применительно к условиям их испытаний на данном карьере.
Пример №2 - определение коэффициента относительной работоспособности взрывчатого вещества по результатам промышленного взрыва скважинных зарядов диаметром d=0,11 м на карьере строительных материалов.
З
ЗАБ
Э
Э
ВВ
ВВ
Э
Э
ВВ
ВВ
3
3
Взрыв проводится на уступе высотой Н=6 м. Скважины размещаются в один ряд глубиной l=7 м относительно откоса уступа. Сопротивление по подошве уступа скважинных зарядов составляет W=3,5 м, длина заряда l=3 м, длина забойки l=3 м. В качестве эталонного взрывчатого вещества используется порошкообразный аммонит 6ЖВ (ρ=900 кг/м; P=8,6 кг/м), а в качестве сравниваемого - эмульсионное взрывчатое вещество «Нитронит» (Э-70), имеющее ρ=1200 кг/м; P=11,5 кг/м. Эталонное и сравниваемое взрывчатые вещества размещались в крайних скважинах, остальные скважины ряда заряжались штатными взрывчатыми веществами, принятыми на карьере. В результате проведенного массового взрыва была измерена по двум крайним скважинам первого ряда ширина воронки разрушения по подошве уступа, равная для эталонного взрывчатого вещества аммонита 6ЖВ В=7,14 м, а предельный радиус по подошве уступа по расчету составил R=5,0 м, а для исследуемого взрывчатого вещества гранулита РП В=9,75 м, а R=6,0 м. Относительная работоспособность эмульсионного взрывчатого вещества «Нитронита» по сравнению с аммонитом 6ЖВ составляет:  что свидетельствует о его большей взрывной эффективности в сопоставляемых условиях.
Техническим результатом предлагаемого способа определения относительной работоспособности взрывчатого вещества является:
- снижение трудоемкости при оценке эффективности замены взрывчатых веществ при изменении горнотехнических и горно-геологических характеристик взрываемого горного массива за счет определения относительной работоспособности взрывчатых веществ на взрываемом блоке или на взрываемом блоке в процессе массового промышленного взрыва;
- повышение качества взрывного дробления горных пород за счет более высокой достоверности коэффициента относительной работоспособности, определенного для взрываемых на карьере горных пород;
- снижение стоимости ведения взрывных работ и определения коэффициента относительной работоспособности взрывчатых веществ за счет совмещения взрывов по определению коэффициента относительной работоспособности взрывчатых веществ с производством взрывов на взрываемом блоке.
Предлагаемый способ определения относительной работоспособности взрывчатого вещества был проверен на карьерах, имевших крепость пород по шкале М.М.Протодъяконова от 8-10 до 15-17 при взрывах как отдельных опытных скважин, так и крайних скважин первого ряда с зарядами различных взрывчатых веществ с замером ширины воронки разрушения и расчета коэффициентов относительной работоспособности взрывчатого вещества. Замена используемого взрывчатого вещества на другое в соответствии с предлагаемым способом определения относительной работоспособности взрывчатого вещества позволила повысить интенсивность дробления горных пород, снизить выход негабарита и стоимость ведения взрывных работ.
Источники информации
1. Б.Я.Светлов, Н.Е.Яременко «Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ», М., «Недра», 1973.
2. В.Л.Барон, В.Х.Кантор «Техника и технология взрывных работ в США», М., Недра, 1989.
3. Патент РФ №2407984.
4. Патент РФ №2376551.