Способ формирования рассредоточенного заряда взрывчатого вещества в скважине
METHOD FOR FORMATION OF DISPERSED EXPLOSIVE CHARGE IN WELL

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к взрывным работам с применением сыпучих взрывчатых веществ (ВВ), заряжаемых в пробуренные сухие скважины с устья. Изобретение направлено на упрощение технологии формирования рассредоточенных скважинных зарядов ВВ и увеличение полезных форм (КПД) работы взрыва по дроблению горных пород, и может быть использовано для уменьшения удельного расхода "ВВ, и соответствующего снижения сейсмического воздействия, а также вредных выбросов в атмосферу при массовых взрывах.
В настоящее время на открытых разработках месторождений полезных ископаемых для дробления горных пород и руд широко применяются взрывные работы методом скважинной отбойки с использованием детонирующих зарядов промышленных ВВ. Наиболее простая и до сих пор широко применяемая конструкция скважинного заряда ВВ - сплошной заряд по всей длине зарядной камеры. С конца 1950-х - начала 1960-х гг. под руководством акад. Мельникова Н.В. и докт. техн. наук Марченко Л.Н. были предложены конструкций рассредоточенных зарядов с воздушными промежутками поперек колонки заряда ВВ, разделяя колонку ВВ в скважине на нижнюю и верхнюю части. В каждой части заряда ВВ с воздушными промежутками устанавливают боевики, взрываемые одновременно. [Марченко Л.Н., Кудряшов B.C. Методические указания по применению скважинных зарядов, рассредоточенных воздушными промежутками на открытых горных разработках // Сб. «Взрывное дело» №51/8. М.: «Недра», 1963. - С. 199-206]. Создание воздушных промежутков позволяет уменьшить удельный расход ВВ (обычно до 15-20%). Механизм действия рассредоточенных зарядов ВВ заключается в многократном воздействии на разрушаемый массив в течение более длительного времени за счет соударений продуктов детонации в объеме зарядной камеры, создающих дополнительные волны давления при более длительном воздействии на разрушаемую среду, что способствует увеличению полезных форм (КПД) работы взрыва и соответствующему снижению удельного расхода ВВ. Из теории взрывного дела известно, что на полезные формы работы взрыва для дробления взрываемых пород расходуется порядка 5% от всей химической энергии ВВ. Следовательно, при существенном увеличении КПД работы взрыва, удельный расход ВВ может быть уменьшен значительно.
Созданные заряды с воздушными промежутками впервые поставили под сомнение необходимость максимального заполнения объема зарядной камеры массой ВВ. В настоящее время известны различные способы рассредоточения зарядов в сухих взрывных скважинах с использованием воздушных промежутков или воздушных полостей, размещаемых либо поперек оси скважины, либо по длине колонки ВВ в скважине.
Известен способ формирования рассредоточенного заряда ВВ в скважине (патент РФ №2325617 «Способ рассредоточения заряда в скважине», авторы: Лещинский А.В. и др.). Указанный способ рассредоточения заряда в скважине включает создание воздушных промежутков с помощью скважинных затворов, установку боевиков в каждой части заряда на проводнике инициирующего импульса. Воздушные промежутки создают с помощью скважинных затворов в виде тонкостенных герметичных пластиковых элементов, размещая их в скважине последовательно друг на друге на всю высоту воздушного промежутка, на последнем элементе размещают уплотняющий объем ВВ, помещенный в мягкую или эластичную оболочку диаметром более диаметра скважины, на который формируют верхнюю часть сыпучего заряда ВВ. Диаметр скважинных затворов составляет 0,90-0,95 диаметра скважины, длина - 2-5 диаметров. Указанное изобретение позволяет достаточно быстро и надежно формировать воздушный промежуток поперек колонки заряда в скважинах. Тонкостенные пластиковые элементы должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать давление располагаемой выше массы ВВ. Однако при этом заряжание необходимо осуществлять в два этапа - для формирования нижней и верхней частей заряда соответственно, при этом поверх последнего элемента необходимо размещать уплотняющий объем ВВ в мягкой или эластичной оболочке, что неизбежно увеличивает время заряжания скважины. Кроме того, диаметр скважинных затворов 0,90-0,95 от диаметра скважины может вызвать затруднения при размещении затворов в скважинах с неидеально гладкими стенками. Кроме того, известный способ требует обязательного размещения в каждой скважине не менее двух боевиков (в нижней и верхней частях заряда, разделенных формируемым воздушным промежутком).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования рассредоточенного заряда ВВ в скважине (Вилкул Ю.Г., Еременко Г.И., Гапоненко А.Л. Разработка и внедрение конструкции скважинных зарядов с инертными осевыми промежутками на карьерах Кривбасса // Сб. материалов МНПК "Открытые горные работы в XXI веке". Красноярск, 2011. С. 281-287). Для формирования воздушной осевой полости в скважину опускают почти до дна предварительно изготовленную гирлянду из пустотелых полиэтиленовых емкостей круглого сечения или рулонов мешкотары с утяжелителем на нижнем конце гирлянды, фиксируют гирлянду на заданной высоте, конец шнура, удерживающего гирлянду, закрепляют на устье скважины, затем в скважину опускают боевик и осуществляют заряжание. Данная технология позволяет формировать в скважинах колонку низкоплотных полостей параллельно оси скважины, что позволяет уменьшать расход ВВ (на 15-17%), при этом в скважине можно размещать лишь один боевик.
Однако указанный способ формирования рассредоточенного заряда ВВ в скважине имеет недостатки. Изготовление гирлянд низкоплотных полостей требует выполнение ряда операций: соединение в гирлянду рулонов низкоплотных полостей, установку утяжелителя на нижнем конце гирлянды, размещение изготовленной гирлянды в скважине и фиксация верхнего конца гирлянды на заданной высоте на подвесе, с последующим заряжанием с устья скважины и «обсыпанием» подвешенных низкоплотных полостей зарядом ВВ в заданной части скважины. Кроме того, при использовании удлиненных гирлянд низкоплотных полостей заявленное уменьшение удельного расхода ВВ до 15-17% сравнительно невелико, и такая экономия ВВ может быть достигнута при формировании обычных поперечных воздушных промежутков, когда в каждой из частей заряда ВВ, разделенных поперечным воздушным промежутком, устанавливается по одному боевику.
Задачей (технический результат) предлагаемого способа является уменьшение удельного расхода скважинных зарядов ВВ при взрывных работах и уменьшение трудозатрат при формировании скважинных зарядов.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе формирования рассредоточенного заряда взрывчатого вещества в скважине в пустой скважине размещают изготовленные низкоплотные полости и устанавливают один или несколько боевиков, засыпают взрывчатое вещество с устья заряжаемой скважины, низкоплотные полости сбрасывают в пустую скважину, при этом низкоплотные полости выполняют удлиненной формы с линейным размером не менее чем в 3 раза большем диаметра заряжаемой скважины, при диаметре торцов больше  диаметра скважины, кроме того, в зависимости от глубины и диаметра скважины, а также диаметра низкоплотных полостей, в скважине располагают один или несколько боевиков после сбрасывания в скважину либо всего расчетного количества низкоплотных полостей, либо только части, а оставшиеся низкоплотные полости сбрасывают поверх установленных боевиков, после размещения боевиков в скважине.
На чертеже приведена схема расположения пяти удлиненных низкоплотных полостей в скважине с одним боевиком, где 1 - линия внутрискважинного инициирования; 2 - заряжаемая скважина; 3 - удлиненные низкоплотные полости; 4 - боевик (шашка-детонатор).
Способ осуществляется следующим образом: после сбрасывания в скважину удлиненных низкоплотных полостей или в процессе их поочередного сбрасывания, один или несколько боевиков устанавливают на необходимой высоте в свободном пространстве между стенками скважины и удлиненными низкоплотными полостями. Засыпаемое с устья скважины ВВ также располагается вокруг удлиненных низкоплотных полостей, «обсыпая» их со всех сторон при заряжании скважины. При этом масса сыпучего ВВ заполняет объем зазора вокруг каждой низкоплотной полости и стенкой скважины, что в дальнейшем обеспечивает передачу детонации по длине сформированного заряда в скважине. При детонации сформированного скважинного заряда масса ВВ вокруг низкоплотных полостей почти мгновенно превращается в продукты детонации с чрезвычайно высоким давлением, которые, расширяясь со сверхзвуковой скоростью, соударяются в объеме низкоплотных полостей, генерируя тем самым вторичные ударные волны и скачки давления в течение некоторого времени после прохождения детонации ВВ. С учетом присутствия в зарядной камере множества низкоплотных полостей и высокой скорости детонации заряда (обычно 2500-4000 м/с), достигается многократное воздействие на разрушаемую окружающую среду, что способствует увеличению КПД работы взрыва и уменьшению удельного расхода ВВ.
Удлиненные низкоплотные полости во избежание негативных перекосов в скважине обладают достаточной прочностью, изготавливаются в специализированных производственных цехах из недефицитных материалов, невзаимодействующих с компонентами ВВ, и состоят из мягкой цилиндрической оболочки, например, отрезка полиэтиленового рукава, и внутреннего упругого наполнителя достаточно малой плотности, при этом степень наполнения мягкой цилиндрической оболочки материалом наполнителя обеспечивает достаточную жесткость и прочность на изгиб изготовленной удлиненной низкоплотной полости, что необходимо для обеспечения расчетной ориентации колонки низкоплотных полостей в скважине, близкой к вертикальной.
В качестве материалов упругого наполнителя могут быть использованы упругие вспененные полимеры - фрагменты, блоки и отходы пенополистирола, поролона, пенополиуретана, газонаполненного полиэтилена и т.п.; а также ПЭТ-бутылки или подходящие удлиненные ПЭТ-канистры с герметичными крышками, в том числе б/у из-под технических жидкостей; или подходящие полимерные емкости, например, полиэтиленовые бутылки или банки с крышками, или отрезки тонкостенных полимерных труб и пр. Главным технологическим требованием к материалам наполнителя мягкой оболочки является возможность размещения наполнителя внутри мягкой оболочки таким образом, чтобы изготовленная удлиненная низкоплотная полость сохраняла свои геометрические размеры в технологических операциях транспортирования, сбрасывания в скважину и при заряжании скважины ВВ.
Изготовление удлиненных низкоплотных полостей разного диаметра обеспечивается использованием соответствующей ширины цилиндрической оболочки или ширины применяемых полиэтиленовых рукавов, а также, при необходимости, изготовления перетяжек на цилиндрических полостях, например, при помощи скотч-ленты.
Максимальная длина изготавливаемых низкоплотных полостей определяется, во-первых, расчетной высотой заряда ВВ в скважинах при условии сбрасывания в скважину целого числа низкоплотных полостей, а во-вторых - удобством обращения с низкоплотными полостями при изготовлении и транспортировании. При формировании колонки удлиненных низкоплотных полостей в скважине могут использоваться низкоплотные полости различной длины, если необходимо обеспечить близкое соответствие высоты колонки полостей расчетной длине заряда в скважине.
Максимальный диаметр цилиндрических удлиненных низкоплотных полостей ограничен возможностью беспрепятственного прохождения низкоплотных полостей по длине скважины. Кроме того, с увеличением диаметра низкоплотных полостей уменьшается доля объема ВВ в квадратичной зависимости, что может негативно повлиять на результаты взрыва, и должно определяться опытным путем при проведении массовых взрывов в конкретных горно-геологических условиях.
n.
ск.
Расчетная доля объема формируемой в скважине колонки полостей от объема пустой скважины (100%), в зависимости от отношения диаметров не деформируемых цилиндрических полостей к диаметру скважины d/d, приведена в табл. 1.
Осуществление предлагаемого способа формирования рассредоточенного заряда ВВ в скважине иллюстрируется нижеприведенными примерами.
ПРИМЕР 1.
ск.
n.
n.
ск.
На подготавливаемом к массовому взрыву блоку горных пород, в пробуренные скважины диаметром d=270 мм и глубиной 12 метров, с расчетной высотой колонки заряда 8 метров, до начала взрывных работ сбрасывают по 4 низкоплотные полости длиной по 2 метра диаметром d=160 мм (что близко к соотношению d/d=0,6), а после завоза на блок средств инициирования и начала взрывных работ, в эти скважины с полостями опускают по одному боевику, располагаемому в зазоре между полостями и стенкой скважины. Величина зазора достаточна для прохождения и опускания боевика в виде шашки-детонатора до расчетного места расположения. После установки боевика, скважины заряжают расчетным количеством ВВ с устья. В данном случае, при близкой расчетной геометрии скважинного заряда, удельный расход ВВ за счет применения низкоплотных полостей может быть уменьшен по расчету на 36%. В реальности, уменьшение удельного расхода будет несколько менее, чем 36%, за счет того, что низкоплотные полости будут в некоторой мере деформироваться и уменьшать свой занимаемый объем в скважине за счет внутрискважинного давления массы заряжаемого сыпучего ВВ.
ПРИМЕР 2.
ск.
n.
n.
ск.
n.
n.
На подготавливаемом к массовому взрыву блоку горных пород, в пробуренные скважины диаметром d=216 мм и глубиной 17 метров, с расчетной высотой колонки заряда 13 метров, до начала взрывных работ в каждую скважину сбрасывают по 4 низкоплотные полости длиной по 1,5 метра диаметром d=140 мм (что близко к соотношению d/d=0,65), а остальные низкоплотные полости остаются у устья скважин. После начала взрывных работ и завоза на заряжаемый блок средств инициирования, в каждую скважину с полостями устанавливают по одному боевику. Затем в скважины сбрасывают еще три низкоплотные полости диаметром d=140 мм длиной по 1,5 м, после чего устанавливают еще по одному (верхнему) боевику. После установки верхнего боевика, в скважины сбрасывают оставшиеся две низкоплотные полости диаметром d=140 мм длиной по 1,5 м, и осуществляют заряжание скважин расчетным количеством ВВ с устья. В данном случае, при неизменной геометрии скважинного заряда, удельный расход ВВ за счет применения низкоплотных полостей может быть уменьшен по расчету на 42,2%, при размещении в каждой скважине по два боевика. В реальности, уменьшение удельного расхода будет несколько менее, чем 42,2%, за счет того, что низкоплотные полости будут в некоторой мере деформироваться и уменьшать свой занимаемый объем в скважине за счет внутрискважинного давления массы заряжаемого сыпучего ВВ.
ПРИМЕР 3.
ск.
n.
n.
ск.
n.
n.
ск.
На подготавливаемом к массовому взрыву блоку горных пород, в пробуренные скважины диаметром d=270 мм и глубиной 12 метров, с расчетной высотой колонки заряда 8 метров, до начала взрывных работ сбрасывают по 4 низкоплотные полости длиной по 1 метру диаметром d=149 мм (что близко к соотношению d/d=0,55), а остальные низкоплотные полости остаются у устья скважин. После начала взрывных работ и завоза на заряжаемый блок средств инициирования, в каждую скважину устанавливают по одному боевику, располагаемого в нижней части скважины. После установки боевика, в каждую скважину сбрасывают оставшиеся две низкоплотные полости длиной по 2 м и диаметром d=190 мм (что близко к соотношению d/d=0,70), и осуществляют заряжание скважин расчетным количество ВВ с устья. Таким образом, суммарный удельный расход ВВ за счет применения низкоплотных полостей в данном примере может быть уменьшен по расчету на 39,7%, при этом масса ВВ в нижней половине скважинного заряда будет больше, чем в верхней, за счет чего создаются предпосылки для лучшей проработки подошвы взрываемого блока. В реальности, уменьшение удельного расхода будет несколько менее чем 39,7%, за счет того, что низкоплотные полости будут в некоторой мере деформироваться и уменьшать свой занимаемый объем в скважине за счет внутрискважинного давления массы заряжаемого сыпучего ВВ.
Таким образом, из рассмотренных примеров представляется возможным предположить, что при соответствующей организации ведения работ, предлагаемый способ формирования рассредоточенного заряда ВВ в скважине, кроме снижения удельного расхода ВВ, имеет предпосылки не к увеличению, а к уменьшению времени заряжания скважин подготавливаемого к массовому взрыву блока. За счет присутствия в скважинах объема низкоплотных полостей, время заряжания скважин и необходимая масса сыпучих ВВ будут уменьшаться, количества ходок зарядных машин будет также меньше. Кроме того, использование данного способа сокращает объемы перевозок опасных грузов ВВ. Все это уменьшает трудозатраты при формировании рассредоточенных скважинных зарядов.
n.
ск.
Опытным путем было установлено, что во взрывной скважине диаметром 216 мм, содержащей колонку цилиндрических низкоплотных полостей и «обсыпающий» полости заряд ВВ, при инициировании от боевика детонация распространяется по всей длине скважинного заряда (свыше 7 м) при соотношении диаметров полостей и скважины d/d=0,74, что соответствует расчетной объемной доле низкоплотных полостей около 55% при соответствующем уменьшении массы ВВ более чем в 2 раза. Таким образом, предлагаемый способ имеет предпосылки к значительному уменьшению удельного расхода ВВ при проведении массовых взрывов методом скважинной отбойки.
Уменьшение удельного расхода ВВ и массы ВВ в скважинах при проведении массовых взрывов выразится в соответствующем снижении сейсмического воздействия, а также вредных выбросов в атмосферу.