ВЗРЫВОУПЛОТНЯЮЩАЯСЯ ЗАБОЙКА ЗАРЯДА ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

Полезная модель относится к области буровзрывных работ и может быть использована в различных сферах деятельности, применяющих взрывные работы в массивах горных пород.
В промышленности и строительстве применяют отбойку горной массы шпуровыми зарядами диаметром до 70 мм, вертикальными и наклонными скважинными зарядами диаметром до 350 мм, камерными зарядами массой от сотен до нескольких тысяч тонн промышленных взрывчатых веществ.
Разрушение скальных горных пород и грунтов взрывом производят при помощи размещения взрывчатых веществ в буровых цилиндрических взрывных скважинах, шпурах и камерных зарядов в вертикальных шурфах и горизонтальных штольнях, незаряженная часть которых заполняется забойкой из инертного сыпучего материала, например, отходами дробильных цехов или песком. Забойка является важнейшим элементом заряда взрывчатого вещества. Она предотвращает потери энергии в процессе детонации взрывчатого вещества, повышает полноту детонации, способствует завершению вторичных реакций в продуктах детонации, повышающих энергию взрыва; передающуюся разрушаемому массиву пород, увеличивает длительность поршневого действия продуктов взрыва и длительность напряженного состояния породы под действием взрыва; способствует уменьшению количества выбрасываемых в атмосферу токсичных газов в продуктах взрыва; препятствует образованию ударной волны в воздухе и ограничивает разлет кусков породы.
При взрыве заряда взрывчатого вещества происходит уплотнение забойки с образованием «пробки», которая затем эффективно сопротивляется нарастающему давлению газообразных продуктов взрыва за счет увеличения сил трения как между частицами забоечного материала, так и между уплотненной забойкой и стенками скважины (1). Чем выше скорость приложения нагрузки от взрыва заряда, тем короче, но плотнее образовавшаяся «пробка». Забойка вылетает во время взрыва в виде сжатого цилиндра до начала разрушения окружающего горного массива. (2).
При взрыве зарядов взрывчатого вещества при вылете забойки происходит интенсивное истечение продуктов взрыва, вызывающее потерю части энергии, расходуемой на дробление породы, что вызывает снижение к.п.д. взрыва.
Герметизирующее действие забойки при взрыве определяется ее размерами (длиной и диамтром), а также сопротивляемостью ее материала действию динамических нагрузок под давлением продуктов взрыва
Для повышения сопротивляемости выбросу забоечного материала используется так называемая самозаклинивающаяся забойка, представляющая собой размещенные внутри забойки запирающие заряды взрывчатых веществ, которые взрывают одновременно с основным зарядом взрывчатого вещества (3). Кроме того во взрывных камерах формируют так называемые самозаклинивающиеся распорно-засыпные (4, 5), комбинированные (6-10), разрезные металлические (11, 12), бетонные комбинированные (13, 14) забойки довольно сложной конфигурации и устройства. Из-за сложности их изготовления и установки они используются для шпуров и скважин небольшого диаметра.
При взрыве зарядов взрывчатого вещества с обычной забойкой (без запирающих зарядов и специальных устройств) в забойке из-за бокового распора давлением продуктов взрыва возникают силы трения, удерживающие ее от преждевременного вылета из зарядной выработки (камеры). Однако величина их во много раз меньше, чем в забойке с запирающими зарядами взрывчатого вещества и специальными устройствами. Это объясняется тем, что возникающая при взрыве основного заряда волна сжатия ударным образом разгоняет материал обычной забойки до больших скоростей, вследствие чего коэффициент внутреннего трения забойки скачкообразно уменьшается до малых значений. Поэтому на вылет обычной забойки внутреннее трение не оказывает такого существенного влияния, как на самозаклинивающуюся забойку с запирающими зарядами и специальными устройствами. Недостатком самозаклинивающихся забоек с запирающими зарядами и специальными устройствами является дополнительный расход взрывчатых веществ, материальные затраты и время на изготовление специальных устройств, что повышает стоимость ведения взрывных работ.
Для того, чтобы увеличить прочность забойки и повысить ее сопротивляемость выбросу, необходимо разделить забойку несколькими газовыми пробками, что обеспечит ее уплотнение и боковой распор с повышением удерживающей способности за счет сил трения в зарядной выработке. Одним из путей повышения эффективности ведения буровзрывных работ является применение забойки с воздушными промежутками, обеспечивающей перераспределение энергии взрыва за счет сокращения затрат энергии на пластические деформации, переизмельчение горного массива и увеличения количества энергии, используемой непосредственно на дробление твердой среды (15, 16).
Известна рассредоточенная забойка скважинного заряда, включающая воздушные промежутки, разделяющие забойку, участок забойки, расположенный у устья скважины, содержит запирающий заряд взрывчатого вещества (17), принятая авторами за прототип. Недостатком забойки - прототипа является установка в одной из частей забойки запирающего заряда, что усложняет ее формирование и приводит к удорожанию стоимости ведения буровзрывных работ.
Технической задачей полезной модели является повышение качества дробления горного массива и снижение стоимости ведения взрывных работ за счет исключения прохождение по забойке волны сжатия и разгона забойки, повышения ее запирающих свойств, прочности и сопротивления вылету под давлением продуктов взрыва, снижения концентрации вредных веществ в пылегазовом облаке, уменьшения дальности разлета кусков породы при взрыве и ослабления действия ударно-воздушных волн.
Техническая задача была решена разработкой конструкции взрывоуплотняющейся забойки, включающей чередующиеся участки инертного материала и воздушные промежутки, которая дополнительно содержит газоотводный канал продуктов взрыва, проходящий через участки забоечного материала и соединяющий взрывную камеру с воздушными промежутками.
Газоотводный канал может быть сквозным или не проходить по участку забойки у устья взрывной камеры. Газоотводный канал может формироваться в любом сечении рассредоточенной забойки и проходить вдоль ее продольной оси.
В качестве сквозного газоотводного канала может использоваться:
- сплошная труба любого геометрического сечения, проходящая вдоль всей рассредоточенной забойки с вырезанными участками для свободного истечения газов взрыва на всю длину воздушных промежутков,
- отдельные отрезки трубы любого геометрического сечения, проходящие только вдоль участков забоечного материала;
- свободное пространство, оставляемое в материале забойки для технологических целей, например, людской ходок при ведении взрывных работ камерными зарядами взрывчатых веществ, размещаемых в наклонных или горизонтальных подходных горных выработках.
Отличительной особенностью заявляемой взрывоуплотняющейся забойки является газоотводный канал, обеспечивающий поступление газообразных продуктов взрыва после инициирования заряда взрывчатого вещества из взрывной камеры в воздушные промежутки, размещенные между участками инертной забойки.
После детонации заряда взрывчатого вещества в зарядной камере резко возрастает давление продуктов детонации и происходит динамический удар газов по торцевой поверхности участка забойки, прилегающей к заряду взрывчатого вещества, с одновременным поступлением газообразных продуктов взрыва в сквозной газоотводный канал. По сквозному газоотводному каналу они поступают в воздушный промежуток и действуют на торцевые поверхности обоих участков забойки из инертного материала. Забойка, воспринимающая первый самый жесткий удар продуктов детонации, уплотняется в виде пробки. За счет высоких усилий прижатия под действием бокового распора к стенкам взрывной камеры происходит уплотнение с заклиниванием участка забойки в зарядной выработке. Первичные ударные волны продуктов детонации, имея максимально-возможный для применяемого взрывчатого вещества запас энергии, при столкновении с поверхностью забойки образуют вторичные ударные волны. Сыпучий материал забойки сдавливается и оказывает давление на стенки зарядной камеры. За счет очень высоких давлений происходит уплотнение забойки из инертного материала в зарядной камере и запирание продуктов детонации в ней до момента полного разрушения породы. Одновременно по сквозному газоотводному каналу продукты детонации поступают в следующий воздушный промежуток, действуя на поверхности участков забойки, прилегающих к воздушному промежутку, как описано выше. Эффективность взрывоуплотняющего действия забойки меняется в зависимости от количества и размеров воздушных промежутков, а также от количества, размеров и материала участков инертной забойки.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2.
Фиг.1 - схема взрывоуплотяющейся забойки для горизонтального штольневого заряда взрывчатого вещества (продольный поперечный разрез).
Фиг.2 - схема взрывоуплотяющейся забойки вертикального скважинного заряда взрывчатого вещества (в разрезе).
Обозначения:
1 - взрывная камера (штольня);
2 - заряд взрывчатого вещества;
3 - участки забойки из инертного материала;
4 - воздушный промежуток;
5 - газоотводный канал;
6 - газоотводный канал в виде отдельных участков трубы;
7 - газоотводный канал в виде единой трубы;
8 - вырезанные участки трубы вдоль воздушных промежутков.
- направление движения газообразных продуктов детонации взрывчатого вещества.
Забойка выполняется из инертного сыпучего материала (отсев или мелкие фракции дробления породы, песок и аналогичные им продукты), который обладает более высоким сопротивлением к осевому смещению от действия газообразных продуктов детонации. Герметизация зарядной камеры забойкой из сыпучих материалов получается более качественной, а результаты взрыва - более высокими.
Применение предлагаемой забойки обеспечивает следующие преимущества:
- уменьшение количества материала используемого для забойки;
- снижение трудоемкости формирования забойки;
- снижение стоимости и повышение производительности забоечных работ;
- повышение безопасности ведения взрывных работ.
Предлагаемая взрывоуплотняющаяся забойка (фиг.1, 2) состоит из нескольких участков 3 инертного материала, один из которых прилегает к заряду взрывчатого вещества 2 и нескольких воздушных промежутков 4, расположенных между ними, и размещена во взрывной камере 1. Размеры (длины) участков инертного материала и воздушных промежутков определяются проектом ведения взрывных работ. В качестве газоотводного канала продуктов взрыва может использоваться оставляемый свободным от забоечного материала людской ходок при ведении взрывных работ штольневыми зарядами взрывчатых веществ (фиг.1); труба любого геометрического сечения, проходящая вдоль всей рассредоточенной забойки с вырезанными участками для свободного истечения газов взрыва на всю длину воздушных промежутков (фиг.2б); отдельных отрезков трубы любого геометрического сечения, проходящих только вдоль участков забоечного материала (фиг.2а). Газоотводный канал продуктов взрыва может размещаться вдоль рассредоточенной забойки в любом ее сечении фиг (1а, 1б).
Порядок формирования рассредоточенной забойки.
После размещения заряда взрывчатого вещества 2 во взрывной камере 1 (фиг.1а, 1б - штольневой заряд) в штольне формируют путем чередования участков забойки определенной длины из инертного материала 3 и воздушных промежутков 4 определенной длины. Концевой участок забойки может быть заполнен инертным материалом 3 на полное сечение взрывной камеры 1 до устья выработки. В качестве газоотводного канала 5 используется технологический проход к заряду взрывчатого вещества - людской ходок (фиг.1).
При ведении взрывных работ вертикальными скважинными зарядами (фиг.2) после заполнения скважины взрывчатым материалом 1 формируется газоотводный канал продуктов взрыва 5 или путем опускания трубы любого геометрического сечения на полную длину рассредоточенной забойки, при этом на участке воздушного промежутка 4 на его длину вырезается участок трубы для свободного истечения продуктов взрыва (фиг.2б) или путем опускания отдельных отрезков трубы только на длину участка инертного материала 3; участок воздушного промежутка 4 может не содержать участка трубы. Воздушный промежуток скважин формируется любым известным способом.
Участки забойки между воздушными промежутками под действием продуктов детонации, вытекающие из зарядной камеры, находятся под большим давлением. Вследствие бокового распора в материале забойки ее уплотнение под действием газов взрыва на стенках выработки возникают значительные по величине силы трения, оказывающие сопротивление давлению продуктов взрыва основного заряда взрывчатого вещества. Роль воздушных промежутков сводится к тому, что они образуют в забойке газовые пробки, препятствующие распространению волны сжатия, вызывают в результате уплотнения участков инертной забойки боковой распор со значительными по величине силами трения. Забойку с воздушными промежутками и газоотводными каналами можно назвать взрывоуплотняющейся забойкой. Роль забойки при взрыве камерных зарядов на выброс и сброс возрастает с увеличением масштабов взрыва. Это объясняется тем, что процесс выброса и сброса породы завершается при полном расширении продуктов взрыва (до атмосферного). При взрыве камерных зарядов со на выброс или сброс время удержания забойки соизмеримо со временем полного расширения продуктов взрыва.
Пример осуществления полезной модели (фиг.1).
2
3
Осуществляется взрыв на сброс штольневого заряда массой 2000 т из взрывчатого вещества гранулита РП для сооружения взрывонабросной плотины. Длина горизонтальной подходной выработки (штольни), свободной от заряда взрывчатого вещества, - 100 м, сечение - 10 м, объем выработки, подлежащей забойке- 1000 м.
3
Забоечный материал - песок с плотностью 1,7 т/м. Масса сплошной забойки - 1700 т; продолжительность выполнения забойки - 30 дней.
2
Взрывоуплотняющаяся забойка (фиг.la) состоит из двух воздушных промежутков длиной по 20 м и трех участков забойки из сыпучего материала длиной по 20 м. В качестве газоотводящего канала продуктов взрыва использованы людские ходки с поперечным сечением 1,5 м. Два участка забойки (центральный участок и участок забойки, примыкающий к зарядной камере) сыпучим забоечным материалом не заполняются. Людской ходок участка забойки в приустьевой части штольни перед взрывом заполняется забоечным материалом. Предлагаемая взрывоуплотняющаяся забойка позволяет сократить массу забоечного материала до 600 т и время выполнения забойки до 18 дней. Эффективность взрыва с применением взрывоуплотняющейся забойки повысилась на 20-25% за счет увеличения объема полезно сброшенной породы в проектный контур взрывонабросного сооружения.
Заявленный технический результат - повышение качества дробления горного массива и снижение стоимости ведения взрывных работ - обеспечивается конструкцией забойки:
- исключение прохождения по забойке волны сжатия и разгона забойки за счет рассредоточения забоечного материала воздушными промежутками с газоотводящими каналами продуктов взрыва, что повышает ее запирающие свойства;
- снижение концентрации вредных веществ в пылегазовом облаке и уменьшение зоны его рассеивания за счет взрывоуплотняющего действия предлагаемой забойки;
- повышение производительности и снижение стоимости ведения взрывных работ за счет снижения массы и времени формирования предлагаемой забойки.
Выполненная в производственных условиях проверка заявляемой взрывоуплотняющейся забойки показала ее безотказную работу по дроблению горных пород как скважинными зарядами, так и камерными зарядами при сбросе горных пород при возведении взрывонабросных сооружений (плотин).
Источники информации
1. Гогичев И.И. «Эффективная и оптимальная длина забойки шпуровых зарядов», сб. «Взрывное дело» №59/16, М. «Недра», 1966.
2. Миндели Э.О., Демчук П.А., Александров В.Е. «Забойка шпуров», М„ «Недра», 1967.
3. Черниговский А.А. «Метод плоских систем зарядов в горном деле и строительстве», М., «Недра», 1971.
4. Патент РФ №2390722.
5. Патент РФ №237669.
6. Патент РФ №2365872.
7. Патент РФ №2291394.
8. Патент РФ №2308674.
9. Патент РФ №2291392.
10. Патент РФ №2291393.
11. Патент РФ №2312302.
12. Патент РФ №2329462.
13. Патент РФ №2331042.
14. Патент РФ №2329463.
15. АС СССР №148741.
16. Мосинец В.Н. «Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах», М., «Недра», 1976.
17. Патент РФ №2112207.