СМЕСИТЕЛЬНО-ЗАРЯДНАЯ СИСТЕМА
MIXING-CHARGING SYSTEM

Изобретение относится к конструкциям машин и установок, используемых для механизированного приготовления эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), а также к способам заряжания шпуров и скважин с использованием ЭВВ, и может применяться при ведении взрывных работ на горнодобывающих предприятиях.
На разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых, с целью дробления массива горных пород при проходке выработок производят взрывные работы, в том числе с применением зарядов ЭВВ, для приготовления которых используют смесительно-зарядные установки и машины.
Например, известна универсальная смесительно-зарядная машина (патент РФ №142788, опубл. 10.07.2014), включающая в себя комплекс оборудования, смонтированный на автотранспортной базе и содержащий две емкости, одна из которых универсальная выполнена внизу с приспособлением для выпуска эмульсионной матрицы и запорным устройством для выпуска аммиачной селитры, а вверху - с загрузочными люками, отличающаяся тем, что вторая емкость выполнена также универсальной с приспособлением для выпуска эмульсионной матрицы и запорным устройством для выпуска аммиачной селитры внизу и, по меньшей мере, с одним загрузочным люком вверху, а каждый из загрузочных люков обеих емкостей перекрыт фильтрационным пакетом, состоящим из фильтрационной сетки и расположенного под сеткой успокоителя волн эмульсии, выполненного в виде ребристой решетки с параллельно расположенными пластинами. Запорные устройства для выпуска эмульсионной матрицы обоих емкостей выполнены в виде съемных люков. Обе емкости выполнены в виде отсеков единого бункера, разделенного герметической перегородкой. В своей нижней части каждая емкость имеет предохранительный выплавной люк.
Недостатком данной машины является ее низкая эффективность при зарядке ЭВВ в восходящие шпуры и скважины, обусловленная ее конструктивными особенностями.
Известно устройство для приготовления и заряжания скважин смесевым эмульсионным взрывчатым веществом (патент РФ №2312301, опубл. 10.12.2007), включающее в себя бункер со шнековым питателем аммиачной селитры, емкость для эмульсии, емкости для газогенерирующей добавки, воды и нефтепродукта, а также насосы-дозаторы для подачи эмульсии, газогенерирующей добавки, воды и нефтепродукта. Устройство снабжено лопаточным смесителем, вал которого на его входном участке соосно жестко связан с выходным участком вала шнекового питателя аммиачной селитры. Выходной участок лопаточного смесителя сообщен с входным участком смесителя компонентов, а на входном участке лопаточного смесителя расположена форсунка подачи нефтепродукта. Кроме того, устройство имеет второй канал подачи смеси эмульсии с газогенерирующей добавкой, выход которого расположен на выходе устройства, причем входы обоих каналов связаны с выходом смесителя эмульсии с газогенерирующей добавкой через распределительное приспособление.
Одним из недостатков известного устройства является то, что его невозможно использовать для заряжания восходящих шпуров и скважин.
Также известна универсальная смесительно-зарядная машина (патент РФ №121174, опубл. 20.10.2012), включающая в себя комплекс оборудования, смонтированный на автотранспортной базе и содержащий два бункера, один из которых предназначен для аммиачной селитры и выполнен с верхними загрузочными люками, а второй - универсальный - для эмульсионной матрицы и аммиачной селитры, выполнен внизу с поворотным затвором для выпуска эмульсионной матрицы и запорным устройством для выпуска аммиачной селитры, а вверху с загрузочными люками, три последовательно соединенных шнека горизонтальный донный шнек, наклонный шнек и смесительно-зарядный шнек, горизонтальный донный шнек соединен с выходом бункера для аммиачной селитры и запорным устройством универсального бункера, смесительно-зарядный шнек выходом соединен с приемным бункером, а входом связан с поворотным затвором универсального бункера и емкостью с газогенерирующей добавкой, наклонный шнек связан с емкостью с дизельным топливом, при этом связи поворотного затвора универсального бункера, емкости с газогенерирующей добавкой и емкости с дизельным топливом со шнеками осуществляются через соответствующие насосы, а выход приемного бункера соединен через выходной насос с зарядным шлангом шлангового барабана. Связь входа смесительно-зарядного шнека с поворотным затвором универсального бункера и емкостью с газогенерирующей добавкой осуществляется через статический миксер.
Недостатками известной машины являются ее низкая эффективность при зарядке восходящих шпуров и скважин, а также высокая трудоемкость выполнения работ.
В качестве прототипа выбрана смесительно-зарядная машина для подземных горных работ (патент РФ №161422, опубл. 20.04.2016), которая включает в себя комплекс оборудования, смонтированного на автотранспортной базе, содержащий бункер для эмульсионной матрицы, выполненный внизу с поворотным затвором для выпуска эмульсионной матрицы, а вверху с загрузочным люком, емкостью с газогенерирующей добавкой;, при этом связь поворотного затвора и емкости с газогенерирующей добавкой осуществляются через соответствующие насосы, в гидравлическую схему включен статический миксер, при этом в качестве насосов используют пневматические поршневые насосы, связанные через пневматическую станцию с внешним источником энергии, насосы соединены гидравлически с емкостями для эмульсии, газогенерирующей добавки, воды и с зарядным шлангом, для калибровки расхода газогенерирующей добавки используют трехходовой кран, для управления процессом приготовления эмульсионного взрывчатого вещества и податчиком шлага используют контроллер, в качестве смесителя эмульсионной матрицы и газогенерирующей добавки используют инжектор, в котором в поток эмульсии вводят газогенерирующую добавку коаксиально потоку эмульсионной матрицы, статический миксер установлен в адаптере на конце зарядного шланга. Перед инжектором в гидравлическую схему эмульсионной матрицы установлен сгуститель, выполненный в виде полого цилиндра с местными сопротивлениями, выполненными в виде сопел Лаваля.
Недостатками данной конструкции смесительно-зарядной машины являются недостаточно высокая производительность при выполнении работ, а также недостаточно высокое качество формирования зарядов ЭВВ. Указанные недостатки связаны с тем, что расчет компонентного состава зарядов ЭВВ и их формирование производятся оператором смесительно-зарядной машины вручную, что может приводить к ошибкам в расчетах, влияющих не только на качество и производительность, но и на безопасность работ.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества формирования зарядов ЭВВ, а также повышение производительности и безопасности выполнения работ.
Указанный технический результат достигается за счет автоматизации процессов расчета и управления формированием зарядов ЭВВ, состоящего из эмульсионной матрицы и газогенерирующей добавки, путем применения смесительно-зарядной системы, представляющей собой мобильный комплекс оборудования, необходимого для формирования зарядов ЭВВ, который может быть транспортирован к месту проведения работ, например, с помощью автомобильного транспорта, и включающий в себя блок вычислений (БВ), которому переданы все функции управления процессом формирования заряда ЭВВ в соответствии с алгоритмом расчета динамической вязкости эмульсионной матрицы, заложенным в него в виде программы.
Реализованный в БВ алгоритм расчета динамической вязкости эмульсионной матрицы после ее прохождения сквозь устройство повышения вязкости основан на обработке сигналов с датчика уровня эмульсионной матрицы в бункере и датчика давления в трубопроводе ее подачи. На основе величины давления эмульсионной матрицы в трубопроводе ее подачи, а также введенных геометрических параметрах устройства повышения вязкости, БВ рассчитывает коэффициент изменения вязкости К:
где:
Р - давление эмульсионной матрицы в магистрали подачи [Па];
3
Q - величина расхода эмульсионной матрицы [м/сек];
2
S - площадь сечения проходного отверстия сопла устройства повышения вязкости [м];
- длина устройства повышения вязкости [м];
нач
η - динамическая вязкость эмульсионной матрицы до входа в устройство повышения вязкости [пуаз].
Данные по расходу эмульсионной матрицы БВ получает путем расчета, исходя из показаний уровня эмульсионной матрицы в бункере и времени работы дозатора эмульсионной матрицы.
Формула расчета коэффициента изменения вязкости была выведена и подтверждена эмпирическим путем, на основе более чем 200 измерений при различных и схожих условиях.
Зависимость изменения вязкости эмульсионной матрицы от скорости прохождения частиц прямо пропорциональна и обусловлена степенью преобразования молекулярной структуры растительного масла, входящего в состав эмульсионной матрицы:
, где:
кон
η - динамическая вязкость эмульсионной матрицы после прохождения устройства повышения вязкости [пуаз];
K - коэффициент изменения вязкости;
нач
η - динамическая вязкость эмульсионной матрицы до входа в устройство повышения вязкости [пуаз].
На основе этого алгоритма, БВ в соответствии с установленной в него программой делает расчет оптимального с точки зрения формирования заряда ЭВВ, коэффициента изменения вязкости, и далее БВ дает команду гидроцилиндру на изменение усилий, прилагаемых к дозаторам компонентов ЭВВ (эмульсионной матрицы и газогенерирующей добавки), и при необходимости изменяя вязкость эмульсионной матрицы в устройстве повышения вязкости.
зap
Кроме того, БВ также рассчитывает необходимое количества заряда ЭВВ Q в соответствии с математическим алгоритмом, представленным в виде формулы:
где:
3
ρ - начальная плотность ЭВВ на момент выхода из зарядного шланга, [кг/м];
k - коэффициент расширения заряда ЭВВ в ходе реакции газогенерации;
π - число «ПИ», математическая постоянная;
d - диаметр заряда, [м];
скв
L - длина скважины, [м];
нед
L - длина не заряжаемого участка скважины, [м].
Этот алгоритм, установленный в виде программы в БВ, рассчитывает необходимое количество боевиков и глубину их постановки, и в момент, когда необходимо поставить очередной боевик БВ останавливает подачу заряда ЭВВ, сообщая оператору о такой необходимости и о глубине, на которую необходимо его поставить.
Динамическая вязкость эмульсионной матрицы в смесительно-зарядной системе регулируется с помощью устройства повышения вязкости, работой которого управляет БВ, которое использует данные, поступающие с датчика уровня эмульсионной матрицы в бункере и датчика давления в трубопроводе эмульсионной матрицы, при этом БВ постоянно отслеживает параметры работы, смесительно-зарядной системы, дает предупреждения оператору об отклонениях от нормативных величин, либо останавливает работу в случае превышения критических значений.
Применяемое в смесительно-зарядной системе устройство повышения вязкости представляет собой участок трубопровода с расположенными в нем местными сопротивлениями в виде сопел, при этом количество сопел, расстояния между ними, а также проходной диаметр изначально подбирают под конкретные компоненты ЭВВ, а далее производят регулировку уровня повышения вязкости с помощью БВ в зависимости от результатов измерений и вычислений текущих параметров динамической вязкости эмульсионной матрицы. Таким образом, динамическая вязкость эмульсионной матрицы регулируется путем изменения усилия, подаваемого на дозатор эмульсионной матрицы, и, следовательно, изменения скорости прохождения эмульсионной матрицы через устройство повышения вязкости.
Применяемые в смесительно-зарядной системе дозаторы эмульсионной матрицы и газогенерирующей добавки представляют собой поршневые насосы двустороннего действия, работающие синхронно за счет рычага, шарнирно связанного с их штоками, управляемого при помощи гидроцилиндра.
При этом, одновременное применение датчика уровня эмульсионной матрицы в бункере и датчика давления в трубопроводе эмульсионной матрицы, связанных со шкафом электрического и гидравлического управления (ШЭГУ), предназначенного для управления всеми устройствами, входящими в смесительно-зарядную систему, исключает режим холостого хода дозаторов, поскольку при критически низком уровне компонентов ЭВВ, автоматика ШЭГУ блокирует запуск смесительно-зарядной установки, тем самым предотвращая холостой ход дозаторов, что приводит к повышению продолжительности безаварийной работы дозаторов, безопасности работ, связанных с перекачкой эмульсионной матрицы насосными установками, так как состав эмульсионной матрицы (топливная фаза в растворе окислителя) не допускает локальных перегревов, которые могут возникать на подвижных частях дозаторов во время холостого хода.
Таким образом, за счет использования совокупности устройств, входящих в смесительно-зарядную систему, повышается качество формирования зарядов ЭВВ, а также производительность и безопасность выполнения работ.
Взаимосвязь устройств, входящих в смесительно-зарядную систему проиллюстрирована на изображениях:
На фиг. 1 показана общая схема смесительно-зарядной системы;
На фиг. 2 показан комплекс исполнительных устройств (смесительно-зарядная установка), входящих в смесительно-зарядную систему;
На фиг. 3 показано устройство системы дозаторов подачи компонентов ЭВВ;
На фиг. 4 показана конструкция сетчатого фильтра очистки компонентов ЭВВ и промывочной жидкости;
На фиг. 5 показано устройство шкафа гидравлического и электрического управления.
На фиг. 1 показана смесительно-зарядная система, содержащая бункер для эмульсионной матрицы (1), нижняя часть которого выполнена конусной для обеспечения полной разгрузки эмульсионной матрицы через разгрузочный патрубок (2), при этом, в верхней части бункера (1) расположены: смотровой люк (3), предназначенный для ревизии и очистки бункера, а также для дополнительного контроля уровня эмульсионной матрицы; клапан (4) для выравнивания давления внутри бункера с атмосферным давлением и служащий для обеспечения безопасности выполнения работ; предохранительная мембрана (5), выполненная из материала, плавящегося при превышении предельно-допустимого с точки зрения безопасности значения температуры эмульсионной матрицы, при этом в нижней части. бункера дополнительно установлен датчик уровня эмульсионной матрицы (6), и далее разгрузочный патрубок (2) соединен при помощи трубопровода (7), оснащенным краном подачи эмульсионной матрицы (8), с дозатором эмульсионной матрицы (9).
При этом, для цели загрузки эмульсионной матрицы трубопровод (7) через кран (10) присоединен к узлу быстроразъемного соединения загрузки эмульсионной матрицы (11).
Кроме того, смесительно-зарядная система содержит баки для газогенерирующей добавки (12), оснащенные патрубками для загрузки газогенерирующей добавки (13), которые оснащены уровнемерами (14), необходимыми для визуального контроля ее количества, при этом все баки для газогенерирующей добавки (12) соединены отдельными трубопроводами (15), оснащенными дублерами шаровых кранов подачи газогенерирующей добавки (16), сетчатыми фильтрами механической очистки (17) и шаровыми кранами подачи газогенерирующей добавки (18), соединены с коллектором газогенерирующей добавки (19), который с помощью трубопровода (20), оснащенным индикатором потока газогенерирующей добавки (21) и обратным клапаном (22) соединен с дозатором газогенерирующей добавки (23).
Таким образом, эмульсионная матрица и газогенерирующая добавка поступают одновременно в систему дозаторов подачи компонентов ЭВВ, которая включает: дозатор эмульсионной матрицы (9) и дозатор газогенерирующей добавки (23), представляющие собой поршневые насосы двустороннего действия, и работающие синхронно за счет рычага (24), шарнирно связанного с их штоками, датчик производительности системы (25) и гидроцилиндр (26).
Дозатор эмульсионной матрицы (9) посредством трубопровода (27), оснащенный термометром (28), трехходовым краном подачи эмульсионной матрицы (29), сетчатым фильтром механической очистки (30) соединен с устройством повышения вязкости (31) и далее с оросительным кольцом (32).
Дозатор газогенерирующей добавки (23) посредством трубопровода (33), оснащенным предохранительным клапаном (34), обратным клапаном (35) и трехходовым краном проверки расхода газогенерирующей добавки (36) также соединен с оросительным кольцом (32).
В свою очередь оросительное кольцо (32) соединено зарядным шлангом (37) с устройством смешивания компонентов ЭВВ (38).
Трехходовой кран подачи эмульсионной матрицы (29) также служит для загрузки эмульсионной матрицы обратно в бункер (1) через трубопровод (39), который присоединен к бункеру (1) через патрубок (40).
Применяемое в смесительно-зарядной системе оросительное кольцо (32) представляет собой устройство уменьшения трения компонентов ЭВВ, подаваемых через зарядный шланг (37), которое формирует поток не смешанных компонентов ЭЭВ, таким образом, что газогенерирующая добавка, обладающая низкой вязкостью, выступает в роли проводника, внутри которого транспортируется эмульсионная матрица вдоль оси зарядного шланга (37).
Также смесительно-зарядная система содержит бак для промывочной жидкости (41), оснащенный патрубком для загрузки промывочной жидкости (42), а также уровнемером (43), необходимым для визуального контроля ее количества в баке (41), который соединен при помощи трубопровода (44), оснащенного шаровым краном подачи промывочной жидкости (45), обратным клапаном (46) и сетчатым фильтром механической очистки (47) с дозатором эмульсионной матрицы (9).
Также смесительно-зарядная система содержит ШЭГУ (48), имеющий пульт дистанционного управления (49), предназначенный для управления работой смесительно-зарядной системы при помощи электронного оборудования, включающего датчик уровня эмульсионной матрицы (6), датчик производительности системы (25) и датчик давления эмульсионной матрицы (50), установленный на трубопроводе (27), которые соединены с ШЭГУ (48) с помощью электрических проводов, и приводом управления гидроцилиндром, а также БВ (51), присоединенным электрическим проводом к ШЭГУ (48).
На фиг. 2 показан комплекс исполнительных устройств (смесительно-зарядная установка), включающий: бункер для эмульсионной матрицы (1), в верхней части которого расположены: смотровой люк (3), клапан (4) для выравнивания давления и предохранительная мембрана (5), который с помощью трубопровода соединен с дозатором эмульсионной матрицы (9); баки для газогенерирующей добавки (12), которые в свою очередь при помощи трубопроводов соединены с дозатором газогенерирующей добавки; (23); а также бак для промывочной жидкости (41), при этом все эти устройства при помощи электрических проводов присоединены к ШЭГУ (48), который управляет их работой.
Показанная на фиг. 3 система дозаторов подачи компонентов ЭВВ состоит из дозатора газогенерирующей добавки (23) и дозатора эмульсионной матрицы (9), представляющие собой поршневые насосы двустороннего действия, работающие синхронно за счет рычага (24), шарнирно связанного с их штоками, при этом движения штоков дозаторов регистрируются датчиком производительности установки (25), а рычаг (24) приводится в движение при помощи гидроцилиндра (26).
На фиг. 4 показана конструкция сетчатого фильтра очистки компонентов ЭВВ и промывочной жидкости, используемого в смесительно-зарядной системе, встраиваемого в трубопровод системы при помощи патрубка (52), в котором фильтрующим элементом является металлический цилиндр с отверстиями (53), при этом для осуществления ревизии фильтр оснащен крышкой (54), закрепляемой на его корпусе при помощи замков (55), которая может быть снята при помощи ручки (56).
На фиг. 5 показано устройство шкафа гидравлического и электрического управления, содержащий DIN рейку (57), предназначенную для монтажа электрического и гидравлического оборудования (58), на панели управления и контроля которого установлены: тумблер включения и выключения оборудования (59), тумблер запуска управления дозаторами при помощи блока вычислений (60); индикатор высокого давления в трубопроводе подачи эмульсионной матрицы (61); индикатор низкого уровня эмульсионной матрицы в бункере хранения (62); кнопка экстренной остановки смесительно-зарядной системы (63); манометр контроля давления гидравлического питания в системе (64); разъем для подключения блока; вычислений (65), а также индикатор питания (66).
Смесительно-зарядная система работает следующим образом: перед началом работ оператор убеждается в исправности оборудования, входящего в смесительно-зарядную систему, а также в достаточности компонентов, необходимых для формирования заряда ЭВВ, и устанавливает: шаровые краны подачи газогенерирующей добавки к дозаторам (18) и дублеры шаровых кранов подачи газогенерирующей добавки (16) в положение «ОТКРЫТО»; трехходовой кран проверки расхода газогенерирующей добавки (36) - в положение «ЗАРЯДНЫЙ ШЛАНГ»; кран подачи эмульсионной матрицы к дозатору (8) - в положение «ОТКРЫТО»; трехходовой кран подачи эмульсионной матрицы (29) - в положение «ЗАРЯДНЫЙ ШЛАНГ»; а шаровой кран подачи промывочной жидкости (45) - в положение «ЗАКРЫТО».
Запуск смесительно-зарядной системы осуществляется оператором с тумблера «ПУСК» на ШЭГУ (48), либо с пульта дистанционного управления (49), либо с ЭБУ (51), при этом рабочая жидкость под давлением 120-150 Бар поступает на гидроцилиндр (26), который преобразует гидравлическую энергию в механическую и через шарнирное соединение передает ее на дозаторы эмульсионной матрицы (9) и газогенерирующей добавки (23). При этом движения штока гидроцилиндра (26) отслеживаются ШЭГУ (48) при помощи датчиков положения поршня, а количество произведенного ЭВВ определяется при помощи датчика производительности системы (25).
Газогенерирующая добавка из баков (12), проходя сквозь фильтры механической очистки (17), поступает в коллектор газогенерирующей добавки (19), из которого через индикатор потока газогенерирующей добавки (21) и обратный клапан (22), поступает в дозатор газогенерирующей добавки (23), далее газогенерирующая добавка через трехходовой кран проверки расхода (36) поступает в оросительное кольцо (32), из которого далее через зарядный шланг (37) компоненты ЭВВ поступают в устройство смешивания компонентов ЭВВ (38), в котором газогенерирующая добавка смешивается с эмульсионной матрицей, насыщая ее газом в ходе реакции химической газификации.
Эмульсионная матрица поступает из бункера (1) по трубопроводу: подачи эмульсионной матрицы (7) в дозатор эмульсионной матрицы (9), далее после прохождения дозатора (9) при помощи термометра (28), установленного на трубопроводе подачи эмульсионной матрицы (27), измеряется температура, а при помощи датчика (50) измеряется давление эмульсионной матрицы, при этом данные поступают в ШЭГУ (48), принимающим также сигналы датчика уровня эмульсионной матрицы (6), далее ШЭГУ (48) передает все полученные данные в БВ (51), который на основе заложенного в него алгоритма рассчитывает расход и динамическую вязкость эмульсионной матрицы, после чего БВ (51) при помощи дросселя, установленного в ШЭГУ (48), изменяет уровень потребления рабочей жидкости, поступающей в гидроцилиндр (26), тем самым изменяя скорость прохождения-эмульсионной матрицы сквозь сопла местных сопротивлений в устройстве повышения вязкости (31).
Для формирования заряда ЭВВ эмульсионная матрица направляется при помощи трехходового крана подачи эмульсионной матрицы (29) в зарядный шланг (37), проходя сквозь фильтр механической очистки (30) и устройство повышения вязкости (31), в котором динамическая вязкость может быть изменена путем изменения скорости прохождения эмульсионной матрицы сквозь сопла местных сопротивлений, далее эмульсионная матрица поступает в оросительное кольцо (32), где она в потоке газогенерирующей добавки транспортируется вдоль зарядного шланга (37), и далее смешивается с газогенерирующей добавкой в устройстве смешивания компонентов ЭВВ (38), после чего полученная смесь распыляется в скважину или шпур, формируя колонку заряда ЭВВ.
Для проверки расхода газогенерирующей добавки эмульсионная матрица направляется по трубопроводу реверса (39) через патрубок (40) в бункер для эмульсионной матрицы (1), при этом направление потока выбирается при помощи трехходового крана (29) путем его поворота в положение «БУНКЕР».
Заправку бункера для эмульсионной матрицы (1) производят при; помощи узла быстроразъемного соединения загрузки эмульсионной матрицы (11), для чего кран загрузки (10) поворачивают в положение «ОТКРЫТО», после чего осуществляют заправку.
Для промывки системы кран подачи эмульсионной матрицы (8) поворачивают в положение «ЗАКРЫТО», а шаровой кран подачи промывочной жидкости (45) поворачивают в положение «ОТКРЫТО», после чего осуществляют промывку системы. Заправку бака для промывочной жидкости (41) осуществляют при помощи патрубка загрузки промывочной жидкости (42).
Таким образом, за счет использования датчика уровня эмульсионной матрицы в бункере и датчика давления, а также с помощью алгоритмов расчета, заложенных в БВ, смесительно-зарядная система в автоматическом режиме производит формирование зарядов ЭВВ, при этом повышается качество, производительность и безопасность выполнения работ.