Современные способы формирования и взрывания рассредоточенных скважинных зарядов

УДК 622.235

B.А. Матренин

ОАО «НЦ ВостНИИ»

C.В. Мучник ИГД СО РАН А.Н. Гришин

ОАО «Новосибирсквзрывпром»

Современные способы формирования и взрывания рассредоточенных скважинных зарядов

Изложен опыт создания рассредоточенных скважинных зарядов с размещением верхней колонки заряда и забоечного материала в чехле Матренина, применимого как в сухих, так и в обводненных скважинах. На установку чехла в скважину затрачивается 15-16 с. Замеры показали, что благодаря боковому распору нагрузка на материал чехла не превышает 25 кг вне зависимости от массы заряда и массы забойки, помещаемых в чехол

Широкомасштабные исследования по взрыванию рассредоточенных скважинных зарядов (РСЗ) взрывчатых веществ (ВВ) начались в СССР в 50-60-е годы прошлого века. Они доказали эффективность применения данного способа рыхления горной массы. Однако повсеместное и постоянное их использование тормозилось отсутствием удобных, недорогих и надежных средств рассредоточения зарядов в скважинах, тем более при их высокой обводненности [1].

Первоначально для создания РСЗ в скважины опускали деревянную конструкцию в виде

диска, закрепленного на шесте, длина которого соответствовала требуемому воздушному промежутку. Для беспрепятственного прохождения по скважине диаметр диска был существенно меньше диаметра скважин, поэтому для предотвращения просыпания гранулированных ВВ производили дополнительное уплотнение имеющегося зазора пустой тарой из-под ВВ и слоем бурового штыба. Это усложняло заряжание скважин на высоких уступах (15 м и более), т.к. для проталкивания вручную уплотняющего материала требовался достаточно длинный шест. Альтернативным решением было применение дисков из эластичного материала, обеспечивающего плотный контакт со стенками скважины, однако соответствующие технические решения вели к удорожанию всей конструкции и не уменьшали ее громоздкость.

Принципиально иное техническое решение проблемы создания РСЗ из нашедших применение на практике основано на применении эластичных оболочек, наполняемых газом под избыточным давлением. Газ либо подается компрессором через иглу, введенную в ниппель оболочки, либо образуется за счет химической реакции внутри оболочки. Место установки затвора регулируется длиной шланга от компрессора или прикрепленным к оболочке шнуром, на котором его опускают в скважину (компрессор и барабан со шлангом может размещаться на зарядной машине).

К его недостаткам относится надобность в дополнительном компрессорном оборудовании, усложнение организации работ по заряжанию блока, отсутствие гарантии надежности перекрытия в нарушенных скважинах, невозможность использования при высоком уровне воды, превышающем проектное место установки оболочки, наполняемой газом.

Новый запатентованный способ создания не только воздушных, но и комбинированных воздушно-водных и водных промежутков РСЗ, хорошо зарекомендовавший себя на практике, предусматривает размещение как верхней колонки РСЗ - 8 (рисунок 1), так и забойки - 10 в мешок - 7 конструкции В.А.Матренина, выполненный из легкого полипропиленового рукава диаметром, превышающим диаметр скважины. Его дно снабжено грузом (мешочек с песком), а горловина — жестким кольцом 11 заведомо большего диаметра по сравнению с устьем скважины. В транспортном положении мешок Матренина намотан на это кольцо и потому весьма компактен. Для установки в скважину его разматывают над скважиной, при этом, благодаря грузу, он свободно опускается в скважину вплоть до опоры кольца в устье скважины. Хронометраж показывает, что операция по установке его в скважину занимает 15-16 с. После этого находящийся в скважине мешок заполняют ВВ и забоечным материалом.

1 - нижняя колонка заряда; 2 - турбулизатор продуктов детонации; 3 - шашка ТГ-П600;

4 - ДШ; 5, 9 - СИНВ; 6 - воздушный промежуток; 7 - мешок Матренина;

8 - верхняя колонка заряда; 10 - забойка; 11 - кольцо горловины мешка

Рисунок 1 - Конструкция РСЗ

Первый вопрос, который возникает при использовании этой технологии формирования РСЗ, — достаточно ли возникающего бокового распора для того, чтобы полипропиленовый рукав выдержал вес 2-3-метровой верхней колонки заряда и 4-6-метровой забойки устья скважины отсевом горной породы? Для ответа на него на трех скважинах диаметром 220 мм была определена динамика возрастания нагрузки ¥ на кольцо по мере заполнения в мешок ВВ и забоечного материала суммарной массой т (рисунок 2).

Г, МН

5,0

2,5

Ш

е-в-Е

ТГОООООООО

В"

Э-0

50

100

т, кг

Рисунок 2 - Динамика увеличения нагрузки Г на кольцо мешка по мере его заполнения граммонитом 79/21 (т < 100,85 кг) и забоечным материалом (т > 108,85 кг, /з = 4 м) для скважин

диаметром 220 мм

Для этого над устьем исследуемой скважины жестко установили стальной паук, к которому подвесили три пружинных динамометра. Кольцо горловины мешка подвесили к динамометрам и зафиксировали их «нулевые» показания. После этого в мешок порциями по 3-5 кг засыпали грам-монит 79/21 и отмечали суммарные данные по трем динамометрам (за вычетом «нулевых» значений). Общая масса верхней колонки заряда (с боевиком) составляла 100,85 кг, после чего в скважину такими же порциями подавали забоечный материал.

Как видно из рисунка 2, приращение нагрузки на верхнюю часть мешка прекращается после помещения в него первых порций ВВ (кривые по меткам «V» и «»). Повышенная нарушен-

ность стенок скважины приводит к весьма незначительному приросту Г. Он продолжается вплоть

до окончания заряжания верхней колонки заряда (кривая по меткам «О») и прекращается с первыми порциями забойки, поскольку забойка создает значительно больший боковой распор, нежели легкосыпучий граммонит 79/21. Независимо от массы заполнивших мешок ВВ и забойки максимальная нагрузка на кольцо не превышает 2,5 МН (25 кг), что заведомо ниже его несущей способности.

В ОАО «Новосибирсквзрывпром» с применением РСЗ на породах различной крепости было произведено 20 опытно-промышленных массовых взрывов общим объемом 646 тыс. м 3 горной массы. Количество использованных мешков Матренина составило 1235 шт.

Испытания проводились на породах с разным коэффициентом крепости / по шкале проф. М.М. Протодьяконова:

- на сланцах с крепостью /=6 — 2 взрыва (117 тыс. м3);

- на известняках с крепостью /=10 — 6 взрывов (202 тыс. м3);

- на порфирите с крепостью /=13 — 2 взрыва (77 тыс. м3);

- на гранодиорите с крепостью /=16 — 3 взрыва (94 тыс. м3);

- на диабазах с крепостью / = 16— 7 взрывов (156 тыс. м3).

Запишем основные элементы конструкции заряда (рисунок 1) в виде формулы: соответствии с рекомендациями [2], чем больше / тем больше /в и меньше /п.

Проведенные испытания показали, что при выборе 1п следует также учитывать и дробимость пород. Так, например, на крепком, но хорошо дробимом гранодиорите оптимальная формула заряда имеет вид 7+3+3+4=17 м, тогда как на более слабом, но вязком известняке наилучшие результаты получены при 8+2+2+5=17 м.

На исследуемых породах отмечено уменьшение выхода отсева на 20-30% при использовании РСЗ по сравнению со сплошными колонковыми зарядами, так что данные [3] о резком возрастании выхода мелких фракций на весьма крепких и вязких породах, как показал опыт, не распространяются на более слабые или крепкие, но легко дробимые породы.

Характерным для РСЗ при наличии забойки и применении турбовзрывания является отсутствие взрывных газов, истекающих вверх (в направлении устьев скважин). Это хорошо видно на рисунке 3, где изображен момент массового взрыва блока, в левой части 1 которого для сравнения четыре контрольные скважины были оставлены со сплошным колонковым зарядом (4=4 м), а на остальном блоке 2 были применены РСЗ (с тем же /з). Там, где были контрольные скважины, видны взметнувшиеся ввысь клубы пыли и дыма, показывающие направление прорыва взрывных газов. Эта их часть не выполняет полезную работу по рыхлению и формированию компактного развала взорванной горной массы. На остальном блоке 2, где применялось РСЗ с турбовзрыва-нием, такой непроизводительной потери газообразного энергоносителя не наблюдается: движение взрывных газов целиком направлено в горизонтальном направлении, что обеспечивает качественное рыхление породы. Получили подтверждение хорошо известные данные о более компактной форме развала при РСЗ.

1 - Контрольный 2 - Опытный участок - заряды с воз-участок - заряды душными промежутками без промежутков

Рисунок 3 - Сравнительные испытания взрывания сплошных колонковых зарядов ВВ

Для того, чтобы ударные волны от верхнего и нижнего зарядов встретились в пределах воздушного (водного) промежутка 6 (рисунок 1), применяли прямое инициирование нижней колонки заряда 1 с установкой турбулизатора 2 под боевиком 3. В этом случае высвобождаемая дополнительная тепловая энергия от повышения полноты дефлаграции ВВ и увеличенный импульс

взрывного воздействия на массив обеспечивают качественную проработку подошвы уступа и лучшую взрывную подготовку горной массы по сравнению с обратным инициированием нижней колонки РСЗ без турбулизатора.

В прежние времена, когда использовались порошкообразные ВВ, части РСЗ инициировались одновременно с помощью детонирующего шнура (ДШ), протянутого вдоль всего заряда. При переходе на гранулированные ВВ данный способ перестал быть приемлемым, т.к. создавал опасность либо выгорания, либо переуплотнения части заряда от взрыва ДШ до момента срабатывания боевиков. Таким образом, возникла присущая РСЗ проблема обеспечения одновременного взрывания рассредоточенных частей заряда.

По одному из вариантов она решалась путем использования двух СИНВ-Ш-0 9 и 5 (рисунок 1), имеющих нулевое замедление (4=0 мс). Ввиду отсутствия внутрискважинного замедления с целью исключения подбоя поверхностной сети инициирование СИНВ-Ш-0 производилось при помощи программируемых электронных детонаторов ЭДЭЗ, разрешенных к применению на поверхности вне скважин. Конструктивно детонатор выполнен так, что в случае разрыва поверхностной сети от взрыва соседней скважины он в любом случае взрывается.

По другому варианту верхняя колонка инициировалась с помощью СИНВ-С-450 9 (4=450 мс), и далее инициирующий импульс передавался на нижний боевик 3 с помощью ДШ 4. Этим обеспечивалось практически одновременное инициирование верхней 8 и нижней 1 колонок заряда. На тот случай, если инициирующий импульс на нижний боевик 3 по какой-то причине не передастся, то с запаздыванием 50 мс предусматривалось его дублирующее инициирование с помощью СИНВ-С-500 5 (4=500 мс). По этому варианту ввиду наличия внутрискважинного замедления и отсутствия риска подбоя сети импульс на СИНВ-С-450 передавался от СИНВ-П.

К недостаткам первого варианта следует отнести опасность подбоя волноводов СИНВ-Ш-0 внутри скважины. Опыт показывает, что применение ДШ по второму варианту увеличивает трудозатраты на монтаж внутрискважинной сети. В этой связи появилась надобность в принципиально новой системе инициирования внутрискважинных зарядов, с помощью которой можно обеспечить одновременное взрывание частей РСЗ с точностью до 1 мс.

Как известно, такую точность обеспечивает программируемая электронная система взрывания, которая получает все большее распространение за рубежом. В 2004 г. в России разрешено применение электронных детонаторов ЭДЭЗ производства ФГУП «НМЗ «Искра» с установкой их вне скважин. Следующий этап состоит в промышленных испытаниях и внедрении в производство внутрискважинных ЭДЭЗ.

Взрывание РСЗ требует высокой точности расчета их параметров. С этой целью в ОАО «Новосибирсквзрывпром» совместно с ИГД СО РАН была создана компьютерная программа, обеспечивающая на практике требуемую точность.

Все перечисленные в статье технологические мероприятия позволят наладить процесс эффективного и безопасного взрывания РСЗ, что поможет горнодобывающим предприятиям России существенно снизить затраты на ВВ с одновременным повышением качества взрывной подготовки горной массы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Жариков, И.Ф. Эффективность взрывной подготовки горного массива к экскавации / И.Ф. Жариков, Г.В. Волохов // Проблемы ускорения научно-технического прогресса в отраслях горного производства. - Люберцы: ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2003.

2 Марченко, Л.Н. Методические указания по применению скважинных зарядов, рассредоточенных воздушными промежутками, на открытых горных работах/ Л.Н. Марченко, В.С. Кудряшов // Взрывное дело: сб. № 51/8. - М.: Госгортехиздат, 1963.

3 Марченко, Л.Н. Дробление крепких и весьма крепких вязких пород взрывом зарядов, рассредоточенных воздушными промежутками // Взрывное дело: сб. № 51/8. - М.: Госгортехиздат, 1963.