ЗАБОЙКА
STEM

Изобретение относится к устройствам для разрушения твердых горных пород.
Основную массу горных выработок на рудных шахтах в настоящее время проходят буровзрывным способом, поэтому вопросы повышения эффективности взрывных работ приобретают первостепенное значение. Особое внимание должно быть уделено повышению эффективности взрыва при ведении взрывных работ методом скважинных зарядов, который, в сущности, является единственным в практике горнопроходческих работ. Одним из главных факторов, определяющих условия и эффективность взрыва скважинных зарядов взрывчатых веществ является внутренняя забойка скважин. Ее величина и качество в значительной степени определяют коэффициент использования шпура (КИШ) и скважин, равномерность дробления массива, а также количество поступающих в рудничную атмосферу при взрыве пыли и ядовитых газов.
Известна расклинивающаяся металлическая забойка, включающая решетчатый цилиндр, образованный проходящими через отверстия по краю диска рифлеными стержнями с головками сверху и фасками снизу. В решетчатый цилиндр снизу вставлен полый распорный конус, который снабжен снизу упругой манжетой, а сверху - гибкой связью, проходящей через центральное отверстие в диске к соединительному элементу. (RU №2329462)
Забойка технологически сложна, требуется много времени для подготовки взрывания, не предусмотрено использование энергии взрыва для расклинивания забойки.
Наряду с трудоемкостью подготовки к применению недостатком известной забойки является наличие металлических осколков после взрыва в разрушенной породе, повышенная стоимость.
Известны скважинные забойки из породной мелочи и т.п., увеличивающие время действия расширяющихся газообразных продуктов взрыва на разрушаемый массив (Кутузов Б.Н. Взрывные работы. М., Недра, 1988, с. 223).
Известна также забойка для скважин большого диаметра, представляющая собой цилиндр с внутренней полостью, имеющей вид полусферы, сопряженной с усеченным конусом, в состав материала для изготовления которой входит соль щелочноземельного металла. Забойка изготовлена из полиэтилена высокого давления в качестве пластификатора. (Патент РФ №2122178)
Недостатком данной конструкции является достаточно жесткая внешняя поверхность изделия. При наличии у разных горных пород различного коэффициента разбуривания и чистоты внутренней поверхности скважины это приводит к трудностям при размещении забойки внутри скважины. Кроме того, при увеличении диаметра забойки многократно увеличивается количество материала, затрачиваемого на изготовление одного изделия, что ведет к значительному росту его себестоимости, а существующие способы литья и прессовки не позволяют при небольших затратах качественно и быстро изготавливать крупные партии подобных изделий.
Известно устройство для рассредоточения скважинного заряда ВВ и его забойки, которое включает гидроизолирующую оболочку с обратным клапаном, выполненным виде сходящихся лепестков на одном ее торце, а на противоположном торце гидроизолирующей оболочки закреплен стопор, выполненный в виде подпружиненного витка с усами, концы которых направлены вдоль гидроизолирующей оболочки в сторону торца с обратным клапаном и расстоянием между концами усов больше диаметра скважины, причем подпружиненный виток сверху закрыт эластичной пробкой, соизмеримой с диаметром шланга, при помощи которого гидроизолирующая оболочка устанавливается в скважине. (Патент №182776)
Известна скважинная забойка выполнена из пластического полимерного материала, имеет форму цилиндра, внешний диаметр которого соизмерим с диаметром скважины, с осевой внутренней полостью, имеющей вид вытянутой полусферы, сопряженной с усеченным конусом, непосредственно примыкает к заряду взрывчатого вещества, при этом цилиндр выполнен полым и тонкостенным, а упомянутая осевая внутренняя полость выполнена в виде тонкостенной воронки, стенки которой имеют ту же толщину, что и стенки цилиндра, и выполнены из того же материала, причем пространство между воронкой и цилиндром заполнено инертным материалом, причем толщина стенок цилиндра и воронки составляет 2-4 мм. (Патент №2229684).
Известна скважинная забойка выполнена из пластического полимерного материала, имеет форму цилиндра, внешний диаметр которого соизмерим с диаметром скважины, с осевым внутренним диффузором, имеющий вид вытянутой полусферы, сопряженной с усеченным конусом. Стенки диффузора имеют ту же толщину, что и стенки цилиндра, и выполнены из того же материала, а пространство между цилиндром и диффузором заполнено инертным материалом, например песком. В нижней части забойки устанавливается крышка диффузора с отверстием для средств инициирования. (Патент №2451264).
Известно устройство для разрушения горных пород и соединения строительных конструкций, включающее силовой цилиндр и рабочий орган, состоящий из раздвижных цилиндрических щек и взаимодействующего с ними клина забойки, выполненного с цилиндрическим основанием, причем раздвижные щеки соединены со штоком силового цилиндра и стержнями клином (Патент №139745).
Известна забойка, включающая фиксатор, выполненный в виде раздвижных цилиндрических щек с цилиндрическим основанием, при этом, каждая из щек снабжена наружным оребрением с продольным и поперечными ребрами жесткости и одним поперечным ребром на внутренней поверхности, и клин, выполненный с цилиндрическим основанием, кроме того, на наружной поверхности цилиндрических щек и цилиндрического основания клина выполнены канавки для электропроводов, причем основание фиксатора выполнено с вогнутой поверхностью, а наружные продольные ребра жесткости выполнены высотой меньше остроконечных поперечных ребер, кроме того, основание клина выполнено с выпуклой поверхностью на торце, а материал забойки содержит карбонат кальция (3-25)%. (Патент №163752).
Недостатком известных забоек является значительный выход взрывчатых веществ из шпура (скважины) и свободного выхода взрывных газов при срабатывании взрывчатых веществ.
Известные забойки оказывает сопротивление продуктам детонации за счет инерции своей массы и сил трения. Сопротивление за счет инерции своей массы незначительно, особенно если забойки изготовлены из пластмассы. В случае забоек для скважин большого диаметра ударная волна на порядок больше, чем при ведении взрывных работ методом шпуровых зарядов. Поэтому сопротивление за счет инерции и трения в этом случае не эффективно. Известные забойки не используют взрывную волну в качестве механизма запирания продуктов детонации, что является недостатком.
В известных забойках технологические каналы, функционально являющиеся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора, подобранные в зависимости от диаметра скважины, параметров заряда и массива играют только роль демпфера, но не служат для рассеивания ударной волны и запирания продуктов детонации.
Наиболее близким аналогом является механическая забойка для осуществления технологии заряжания выработки в виде шпура или скважины при буровзрывных работах, выполненная в виде распорного затвора клинового типа, конструктивно включающего две составные части, а именно: наружную втулку с, по меньшей мере, двумя раздвижными структурами в виде продольных щек, пространственно ориентированных вдоль оси распорного затвора, а также размещенный в полости упомянутой втулки клиновой элемент, кинематически связанный с продольными щеками наружной втулки посредством храпового зацепления, организованного посредством профильных зубцов, расположенных на взаимообращенных поверхностях наружной втулки и клинового элемента под углом к продольной оси распорного затвора; причем в упомянутых составных частях распорного затвора конструктивно сформированы технологические каналы, функционально являющиеся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора, которые (т.е. технологические каналы) пространственно расположены с возможностью вывода свободных концов упомянутых проводников за пределы распорного затвора в сторону устья выработки; втулка в целом выполнена с обращенной в сторону устья выработки торцевой поверхностью, которая функционально является упорной поверхностью для обеспечения внешнего динамического воздействия на эту упорную торцевую поверхность посредством технологического забойника вдоль оси распорного затвора в процессе предварительного расклинивания раздвижных структур наружной втулки в полости выработки путем ее, наружной втулки, принудительного перемещения относительно упомянутого клинового элемента, причем упомянутые профильные поперечные зубцы храпового зацепления, расположенные на наружных клиновых поверхностях клинового элемента, выполнены на части его длины со стороны его торцевой поверхности большей площади. (Патент №192465) При установке данных забоек за счет заклинивания происходит прижатие только некоторой части раздвижных продольных щек наружной втулки к поверхности скважины. Даже если во время взрыва и происходит перемещение клина, значительная поверхность раздвижных продольных щек остается не прижатой к поверхности скважины.
При неровностях поверхности скважины, обусловленным как некачественным буровым инструментом, так и грунтом скважины, раздвижные продольные щеки наружной втулки не в состоянии изменить форму и прижаться максимально к поверхности скважины. Уменьшение поверхности прижатия снижает силу трения и сопротивление забойки продуктам детонации, а значит и уменьшает время запирания продукции детонации.
Монолитные раздвижные продольные щеки наружной втулки при ударной волне сдвигаются одномоментно по всей поверхности, возникает трение скольжения, при котором сопротивление продуктам детонации за счет сил трения крайне мало по сравнению с трением покоя. Как следствие, забойка вылетает при этом из скважины без сопротивления продуктам детонации, снижается время силового импульса и время трещинообразования, что приводит к увеличению количества негабаритных кусков породы («негабарита»), требующих дополнительного взрывания для возможности транспортировки из шахты (рудника) на поверхность. В забойке конструктивно не предусмотрены условия для рассеивания ударной волны с целью запирания продуктов детонации.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности взрыва при ведении взрывных работ методом скважинных (шпуровых) зарядов путем запирания продуктов детонации в зарядной полости, рассеивания взрывной волны, увеличения времени поршневого давления на разрушаемую породу с целью трещинообразования, а также снижения выхода «негабарита».
Указанный технический результат достигается тем, что в забойке, включающей наружную втулку с двумя раздвижными продольными щеками, выполненную с обращенной в сторону устья выработки торцевой поверхностью, и размещенный в полости втулки клин, связанный с раздвижными продольными щеками посредством храпового зацепления, организованного посредством профильных зубцов, расположенных на наружных поверхностях клина, взаимообращенных к внутренним поверхностям раздвижных продольных щек, кроме того, на наружной поверхности раздвижных продольных щек выполнены поперечные ребра жесткости, причем в клине конструктивно сформированы технологические каналы, функционально являющиеся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора, в отличие от ближайшего аналога на внутренней стороне раздвижных продольных щек выполнены прорези под углом к продольной оси наружной втулки, а клин выполнен виде объемных элементов в форме многогранников, у которых поверхности, образующие наружную поверхность клина, выполнены выпуклыми, причем, объемные элементы разделены воздушными промежутками и скреплены соединителями, кроме того, торцевая поверхность наружной втулки выполнена в виде упругой криволинейной пластины, а в объемных элементах выполнены сквозные отверстия.
Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.
На внутренней стороне раздвижных продольных щек выполнены прорези под углом к продольной оси наружной втулки. Клин связан с раздвижными продольными щеками посредством храпового зацепления, организованного посредством профильных зубцов, расположенных на наружных поверхностях клина, взаимообращенных к внутренним поверхностям раздвижных продольных щек, и вышеупомятых прорезей. Кроме того, прорези являются воздушными промежутками, разделяющими раздвижные продольные щеки на цилиндрические сегменты. При этом цилиндрические сегменты соединены перемычками со стороны наружной поверхности продольных раздвижных щек.
Известно, при прохождении границы раздела сред различной конфигурации взрывная волна частично отражается в различных направлениях, что способствует снижению массовой скорости в забойке. Именно для рассеивания взрывной волны наружная втулка в виде раздвижных продольных щек и клин выполнены с воздушными промежутками.
В тонком слое ударной волны, примыкающей к поверхности забойки в технологических каналах, функционально являющихся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора, образуется ламинарный пограничный слой. Однако наличие воздушных промежутков вызывает разрушение ламинарного течения пограничного слоя ударной волны. При распространении ударной волны по технологическим каналам происходит отрыв пограничного слоя от поверхности отдельных цилиндрических сегментов в окрестности перемычек. При этом образуется турбулентное течение волны как за цилиндрическим сегментом в прорези наружной втулки, так и в технологических каналах. Начало отрыва пограничного слоя и возникновение турбулентного течения ударной волны характеризуется резким возрастанием сопротивления забойки продвижению ударной волны по скважине. Происходит запирание продуктов детонации, а, следовательно, увеличение времени воздействия силового импульса на массив с целью трещинообразования, а также снижения выхода «негабарита».
При воздействии взрывной волны на забойку и за счет прохождения волны по технологическим каналам, функционально являющимся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора, и отверстиям в объемных элементах в форме многогранников, происходит прижатие раздвижных продольных щек наружной втулки к стенке скважины. Воздействие же взрывной волны на торец клина сдвигает ближайшие к заряду объемный элемент клина и цилиндрический сегмент раздвижных продольных щек. При этом разрушаются их перемычки и соединители, цилиндрический сегмент раздвижных продольных щек оказывается в режиме скольжения и, перемещаясь, заклинивает следующий цилиндрический сегмент. При этом он и последующие цилиндрические сегменты находятся в состоянии трения покоя и для их сдвига требуется значительная энергия. Сдвиг поочередно и последовательно цилиндрических сегментов раздвижных продольных щек наружной втулки и объемных элементов клина только увеличивает за счет расклинивания силу прижатия отдельных цилиндрических сегментов раздвижных продольных щек к стенке скважины. Это затрудняет разрушение забойки и выброс ее из скважины, как следствие происходит запирание продуктов детонации в зарядной полости и увеличение времени их воздействия на разрушаемую породу с целью трещинообразования, а также снижения выхода «негабарита».
Наличие упругой криволинейной пластины, соединяющей раздвижные продольные щеки наружной втулки, позволяет при установке забойки в скважину деформировать пластину и прижимать раздвижные продольные щеки по всей их длине к поверхности скважины. Это повышает эффективность взрыва при ведении взрывных работ методом шпуровых зарядов путем максимально возможной силы трения забойки об породу для запирания продуктов детонации в зарядной полости и увеличения времени их воздействия на разрушаемую породу, а также снижения выхода «негабарита».
Объемные элементы клина в форме многогранников, имеют выпуклую наружную поверхность, обеспечивающую возможность упругой деформации, для лучшего сцепления с внутренней поверхностью раздвижных продольных щек, а, следовательно, способствует увеличению силы прижатия внешней поверхности щек к поверхности шпура (скважины). Особенно это важно по мере увеличения поршневого давления продуктов детонации, когда происходит перемещение клина в наружной втулке без пластической деформации, то есть происходит еще большее ее расклинивание. Как следствие, происходит эффективное запирание продуктов детонации, и увеличения времени поршневого давления на разрушаемую породу с целью трещинообразования, а также снижения выхода «негабарита».
Сущность предлагаемой забойки поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена наружная втулка;
на фиг. 2 изображен клин;
на фиг. 3 изображена забойка в сборке;
на фиг. 4 показано размещение забойки в скважине;
на фиг. 5а, 5б, 5в показано поочередное смыкание цилиндрических сегментов раздвижных продольных щек и объемных элементов клина в форме многогранников в скважине во время взрыва.
Забойка включает наружную втулку с двумя раздвижными продольными щеками 1 и клин 2. На внутренней поверхности раздвижных продольных щек наружной втулки 1 (фиг. 1) выполнены прорези 3, разделяющие раздвижные продольные щеки на отдельные цилиндрические сегменты 4, соединенные перемычками 5. На наружной поверхности 6 раздвижных продольных щек 1 выполнены поперечные ребра жесткости 7. Прорези 3 выполнены под углом к продольной оси 8 наружной втулки 1. Торцевая поверхность наружной втулки 1 обращена в сторону устья выработки и выполнена в виде упругой криволинейной пластины 9.
Клин 2 (фиг. 2) выполнен в виде отдельных объемных элементов в форме многогранников 10, разделенных воздушными промежутками 11 и скрепленных соединителями 12. На наружной поверхности 13 клина 2 расположены профильные зубцы 14 и технологические каналы 15. В объемных элементах 10 выполнены сквозные отверстия 16.
Устройство работает следующим образом. Первоначально (фиг. 3) в наружную втулку с двумя раздвижными продольными щеками 1 с небольшим усилием вставляют клин 2, таким образом, чтобы объемные элементы в форме многогранников 10 клина 2 совпали с отдельными цилиндрическими сегментами 4 раздвижных продольных щек 1. В клине 2 конструктивно сформированы технологические каналы 15, функционально являющиеся средствами для размещения проводников инициирующего импульса детонатора.
Клин 2 связан с раздвижными продольными щеками 1 посредством храпового зацепления, организованного посредством профильных зубцов 14, расположенных на наружных поверхностях 13 клина 2, взаимообращенных к внутренним поверхностям раздвижных продольных щек 1, и прорезей 3. Для этого профильные зубцы 14 клина 2 располагают в прорезях 3 раздвижных продольных щек 1 таким образом, что воздушные промежутки 11 клина 2 являлись продолжением прорезей 3 раздвижных продольных щек 1.
В пробуренной в горной породе скважину погружают электродетонатор, взрывчатые вещества, затем забойку (фиг. 4) таким образом, что наружная втулка 1 обращена в сторону устья выработки торцевой поверхностью в виде упругой криволинейной пластины 9. Под внешним давлением, например, «забойника» (деревянного стержня, используемого для установки детонатора и пакетированного взрывчатого вещества внутри шпура или скважины), на упругую криволинейную пластину 9 раздвижных продольных щек наружной втулки 1 и при упоре клина 2 плоской торцевой поверхностью во взрывчатые вещества, происходит перемещение клина 2 в наружной втулке 1 до того момента, когда раздвижные продольные щеки наружной втулки 1, деформируясь, зафиксируются наружной поверхностью 6 на стенке скважины по всей длине наружной втулки 1 за счет поперечных ребер жесткости 7.
Воздействие взрывной волны на торец клина 2 сдвигает ближайшие к заряду объемный элемент в форме многогранника 10 и цилиндрический сегмент 4 (фиг. 5а). При этом разрушаются перемычки 5 и соединители 12, цилиндрический сегмент 4 раздвижных продольных щек 1 оказывается в режиме скольжения и, перемещаясь, заклинивает следующий цилиндрический сегмент 4 (фиг. 5б). Цилиндрические сегменты 4 находятся в состоянии трения покоя и для их сдвига требуется значительная энергия.
Сдвиг поочередно и последовательно цилиндрических сегментов 4 раздвижных продольных щек 1 и объемных элементов 10 клина 2 увеличивает за счет расклинивания силу прижатия раздвижных продольных щек 1 к стенке скважины. Причем деформируются соединители 12 клина 2 и перемычки 5 наружной втулки 1, что позволяет наружной поверхности 6 раздвижных продольных щек 1 принять конфигурацию стенки скважины (фиг. 5в).
Предлагаемая забойка совместно с бумажной и забойкой-прототипом были испытаны в 7 различных забоях на руднике, добывающем руду, содержащую уран, золото и пр., в одной из среднеазиатских республик. В забоях, где проводились испытания, твердость пород по шкале М.М. Протодиаконова f=16-18. Породы очень твердые, «борьба» горняков ведется за каждый дополнительный сантиметр оторванной породы.
Длина шпуров во всех забоях бурилась согласно паспорту ведения буровзрывных работ (БВР). Производилось заряжание шпура детонатором со шнуром, затем закладывалась в пакетах гранулированная взрывчатка местного производства, далее устанавливалась забойка. Первая серия взрывов производился с использованием бумажной забойки (пыжа), которая применяется на руднике согласно утвержденного паспорту ведения буровзрывных работ. Вторая серия взрывов производилась с использованием забойки-прототипа. Третья серия - с применением забойки предлагаемой конструкции. Замеры результатов производились через несколько часов после проведения взрывных работ после проветривания пространства забоев. Замеряли глубину оставшихся в стене выработки «стаканов» - остатков шпуров и зрительно оценивали количество негабаритных кусков породы («негабарита»), требующих дополнительного взрывания для возможности транспортировки на поверхность. Так называемая «уходка за цикл» показывает глубину увеличения выработки в направлении пробуренных шпуров за один цикл (взрыв). Коэффициент использования шпура (КИШ) рассчитывается как отношение «уходки за цикл» к длине пробуренных шпуров. Например, уходка за цикл - 2 метра, длина шпура - 2,5 метра, следовательно, КИШ равен 2,0/2,5=0,8 или 80%. Идеальным считается 98-100%. Проблема заключается в том, что бурить в оставшийся «стакан», экономя буровой инструмент нельзя, т.к. в «стакане» могут находиться остатки взрывчатого вещества (ВВ), что является опасностью. Бурение производят рядом с оставшимся «стаканом», что приводит к перерасходу бурового инструмента, который является дорогостоящей расходной статьей себестоимости.
Результаты сравнительных испытаний забоек: бумажной (применяемой согласно паспорта на проведение БВР), забойки - прототипа, забойки согласно заявки приведены в таблице.
Из данных таблицы можно сделать вывод об увеличении значения КИШ при осуществлении технологии заряжания выработки в виде шпура или скважины при буровзрывных работах с использованием предлагаемой забойки по сравнению с бумажной забойкой и забойкой-прототипом.
Оценка выхода «негабарита» количественно не проводилась, но комиссией отмечено его отсутствие при использовании предлагаемой забойки.
Использование предлагаемой конструкции забойки позволит повысить эффективность взрыва при ведении взрывных работ методом скважинных (шпуровых) зарядов путем запирания продуктов детонации в зарядной полости, рассеивания взрывной волны, увеличения времени поршневого давления на разрушаемую породу с целью трещинообразования, а также снижения выхода «негабарита».