Способ формирования скважинного заряда

 

Изобретение относится к способу формирования скважинных зарядов и может найти применение в горнорудной промышленности. Сущность изобретения: способ формирования скважинного заряда включает размещение в скважине взрывчатого вещества в виде отдельных участков, разделенных воздушными промежутками, установку боевиков и средств инициирования, забойку верхней части скважины инертным материалом, при этом в каждом участке заряда взрывчатого вещества устанавливают один или несколько боевиков, инициируемых таким образом, чтобы детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершалась одновременно; задаваясь высотой одного из участков взрывчатого вещества, количеством, местом установки и интервалом замедления боевиков, высоты остальных участков заряда взрывчатого вещества рассчитываются по формулам, приведенным в описании. Изобретение обеспечивает повышение эффективности ведения взрывных работ за счет повышения КПД взрыва, управление равномерностью дробления горного массива, снижения стоимости. 5 ил.

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к буровзрывным работам, и может быть использовано при взрывной отбойке горных пород и руд на открытых и подземных разработках полезных ископаемых.

Одним из путей повышения эффективности буровзрывных работ является применение скважинных зарядов с воздушными промежутками, обеспечивающих перераспределение энергии взрыва за счет сокращения затрат энергии на пластические деформации и переизмельчение горного массива вблизи заряда и увеличения количества энергии, используемой непосредственно на дробление твердой среды.

Известны способы формирования скважинных зарядов с воздушными промежутками (1, 2, 3), включающие:

- деление скважинного заряда по высоте на два или более участка воздушными промежутками с обязательным условием одновременного инициирования всех частей заряда, а не путем передачи детонации от одной его части к другой;

- нижняя часть заряда составляет 0,6-0,7 частей от всей массы заряда;

- суммарная оптимальная длина воздушных промежутков принимается в пределах 0,17-0,35 от высоты всего заряда взрывчатого вещества в скважине;

- верхняя часть скважины заполняется инертным забоечным материалом.

Известен способ формирования скважинного заряда, включающий размещение в скважине взрывчатого вещества в виде основного заряда, отделенного от забойки воздушным промежутком, запирающего заряда и дополнительного воздушного промежутка под запирающим зарядом в забойке, при этом высота дополнительного воздушного промежутка в забойке берется равной 0,5-1,0 высоты запирающего заряда, а высота нижней части забойки берется в 2-3 раза меньше высоты верхней части забойки (4), принятый авторами за прототип.

В известных способах формирования скважинного заряда с воздушными промежутками, когда инициирование отдельных участков осуществляется одновременно, а при разных высотах участков завершается разновременно, то взаимодействовать будут продукты детонации, сильно различающиеся по массе, скорости, запасу энергии, что приводит в процессе столкновения газовых потоков (ударных волн) к образованию новых результирующих ударных волн, волн сжатия и разряжения, но меньшей эффективности, особенно в направлении оси заряда; а для заряда, изготовленного по способу-прототипу, часть энергии теряется на уплотнение, переупаковку и перемещение нижней части забойки. Ударные волны в состоянии интерференции будут находиться меньшее время, что снижает КПД взрыва.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности ведения взрывных работ за счет повышения КПД взрыва, управления равномерностью дробления горного массива, снижения стоимости.

Техническая задача была решена тем, что скважинный заряд взрывчатого вещества формируют в виде отдельных участков, разделенных воздушными промежутками, устанавливают боевики и средства инициирования, производят забойку верхней части скважины инертным материалом; в каждом участке заряда устанавливают один или несколько боевиков, инициируемых таким образом, что детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершается одновременно; задаваясь высотой одного из участков заряда взрывчатого вещества, количеством, местом установки и интервалом замедления боевиков, высоты остальных участков Н_i рассчитывают по формуле

где H₁ - известная высота одного из участков скважинного заряда, м;

D_i, D₁ - скорости детонации взрывчатого вещества i-гo и i=1 участков заряда, м/с;

n_i, n₁ - количество боевиков (промежуточных детонаторов), установленных на i-м и i=1 участке заряда, шт.;

t_зам - время замедления инициирования боевиков, установленных на i-м участке заряда взрывчатого вещества относительно момента срабатывания боевика на участке заряда взрывчатого вещества i=1, с;

k_i, k₁ - количество боевиков, установленных во внутренней части i-го и i=1 участков заряда взрывчатого вещества, шт.;

Знак “±” в формуле расчета высоты участка взрывчатого вещества при инициировании с замедлением зависит от направления замедления:

+ - замедление участков заряда взрывчатого вещества в направлении от устья к забою скважины;

- - замедление участков заряда ВВ в направлении от забоя к устью скважины.

Высоты участков скважинного заряда, разделенных воздушными промежутками, могут быть одинаковыми или различными, что определяется количеством и местом установки боевиков, способом инициирования (мгновенное или с замедлением). Участки взрывчатого вещества могут быть выполнены из взрывчатого вещества с одинаковой скоростью детонации или из нескольких взрывчатых веществ, отличающихся по скорости детонации.

Детонация участков скважинного заряда вызывается детонационными импульсами боевиков. Боевики могут располагаться на границе разделов: забойка -взрывчатое вещество; взрывчатое вещество - воздушный промежуток; взрывчатое вещество - дно скважины; во внутренних частях участка или в любом сочетании вышеуказанных мест установки. Многоточечное одновременное инициирование осуществляется электродетонаторами мгновенного действия, многоточечное инициирование с замедлением - электродетонаторами короткозамедленного действия, неэлектрическими системами инициирования типа “Нонель” или электронным способом, например, с использованием многоканальных программируемых взрывных приборов и др.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1-5, на которых приведены схемы формирования скважинного заряда с воздушными промежутками в зависимости от количества, места установки боевиков и вида инициирования.

Фиг.1 - скважинный заряд с одним воздушным промежутком, с одним боевиком в каждой части скважинного заряда; инициирование - мгновенное.

Фиг.2 - скважинный заряд с одним воздушным промежутком, с одним боевиком в каждой части скважинного заряда; инициирование с замедлением.

Фиг.3 - скважинный заряд с двумя воздушными промежутками, с одним боевиком в каждой части скважинного заряда; инициирование - мгновенное.

Фиг.4 - скважинный заряд с одним воздушным промежутком, с одним боевиком в нижней части скважинного заряда и пятью боевиками в верхней части скважинного заряда; инициирование - мгновенное.

Фиг.5 - скважинный заряд с двумя воздушными промежутками, с одним боевиком в каждой части скважинного заряда; инициирование с замедлением.

Обозначения:

H_i (Н₂, Н₃) - высота i-гo (среднего, верхнего) участка скважинного заряда, м; h₁ - высота известного (i=1) участка скважинного заряда, м;

И_в.п.- высота воздушного промежутка, м;

Н_зар - общая высота скважинного заряда, м.

В соответствии с проектом взрыва предварительно производится расчет высот отдельных участков скважинного заряда по принятой высоте одного из участков, выбирается количество и место установки боевиков, тип взрывания (мгновенное или с замедлением). Затем в скважине 13 формируются нижний 2, средний 12 и верхний 1 участки скважинного заряда, разделенные воздушными промежутками 3, с установкой в каждом участке заряда боевиков 5 на детонирующем шнуре или волноводе 9 неэлектрической системы инициирования. Затем скважину заполняют сыпучим материалом (забойкой) 4. Боевики 5 могут устанавливаться на границе раздела забойка - взрывчатое вещество 6, или взрывчатое вещество - дно скважины 7, или взрывчатое вещество - воздушный промежуток 11, или во внутренней части участка взрывчатого вещества, делящего участок на равные части 8. Замедление взрывания отдельных участков скважинного заряда может выполняться установкой замедлителей 10.

Высоты участков взрывчатого вещества скважинного заряда рассчитывают по следующей схеме.

Зная скорости детонации взрывчатых веществ, из которых сформирован скважинный заряд с воздушными промежутками, задаваясь высотой одного из участков, количеством и местом установки боевиков на участках скважинного заряда, способом инициирования (мгновенное или с замедлением - время замедления), рассчитывают высоты остальных участков скважинного заряда.

Фиг.1 - скважинный заряд разделен воздушным промежутком на два участка: нижний и верхний. В нижнем участке заряда взрывчатого вещества высотой H₁ установлен один боевик (n₁=1) во внутренней части участка (k₁=1); в верхнем участке высотой H_i установлен один боевик (n_i=1) на границе раздела взрывчатое вещество - забойка (k_i=0). Зная скорости детонации взрывчатых веществ, высоту одного из участков, например нижнего (h₁), рассчитывают высоту верхнего участка (H_i) по формуле

Фиг.2 - скважинный заряд разделен воздушным промежутком на два участка: нижний и верхний. В каждом участке установлено по одному боевику n₁=1; n_i=1, боевики установлены на границе взрывчатое вещество - воздушный промежуток (k₁=0, k_i=0).

Инициирование - двухточечное, с замедлением взрывчатого вещества, например, с помощью неэлектрической волновой системы “Нонель”, время замедления (t_зам) задается проектом взрыва.

Зная высоту одного из участков, например нижнего (H₁), рассчитывают высоту верхнего участка взрывчатого вещества (Н_i) по формуле

при замедлении инициирования боевика, установленного в нижнем участке скважинного заряда;

или по формуле

при замедлении инициирования боевика, установленного в верхнем участке скважинного заряда.

В предлагаемом способе при многоточечном инициировании при условии одновременности завершения детонации каждого из участков происходит встречно направленное соударение и отражение ударных волн по оси скважины внутри воздушного промежутка, отражение ударных волн от плоскости забойки и дна скважины. Первичные ударные волны продуктов детонации, имея максимально возможный для применяемого взрывчатого вещества запас энергии, направленные навстречу друг другу, при столкновении образуют вторичные ударные волны большей эффективности, чем у прототипа; они имеют одинаковые амплитуду и фазы столкновения. Интерференция ударных волн носит когерентный характер. Их энергия, направленная на дробление породы, приводит к расширению взрывной полости по всей высоте колонки скважинного заряда одновременно, отсутствуют потери энергии на перемещение нижней части забойки, выполненной из инертного материала, что обеспечивает более эффективное дробление породы.

Преимуществами предлагаемого способа формирования скважинного заряда с воздушными промежутками являются:

- снижение стоимости ведения буровзрывных работ за счет снижения длины забойки (при встрече ударных волн продуктов взрыва одинаковой интенсивности образуются так называемые газодинамические заторы, которые дополнительно герметизируют скважину и препятствуют выходу продуктов детонации); использования взрывчатых веществ разной мощности в одном и том же скважинном заряде в зависимости от горно-геологических характеристик горного массива;

- повышение равномерности дробления горной породы за счет снижения максимального давления детонации (детонация участков заряда заканчивается одновременно и взрывная полость образуется по всей длине заряда); за счет увеличения времени действия продуктов детонации;

- снижение стоимости буровзрывных работ за счет применения комбинированных зарядов: нижняя часть скважин - более мощные ВВ, верхняя - менее мощные; а при использовании однородных зарядов из мощных ВВ расширяется сетка бурения скважин, а значит, снижается стоимость буровзрывных работ;

- повышение КПД взрыва за счет меньшего деформирующего импульса, действующего на породу по всей высоте скважины одновременно, более позднего разрушения скважин за счет увеличения длительности действия ударных волн;

- возможность управления взрывом за счет использования взрывчатых веществ разной мощности в различных участках скважинного заряда, а также комбинированного заряда одного из участков позволяет получать требуемую степень дробления горной породы;

- снижение расхода ВВ на единицу отбиваемой взрывом горной массы.

Заряжание скважины осуществляется как вручную, так и механизированным способом, создание воздушных промежутков, установка средств инициирования и инициирование - общепринятыми в производственной практике способами.

Примеры осуществления предлагаемого изобретения приведены на фиг.3-5.

Фиг.3 - скважинный заряд сформирован из трех участков взрывчатых веществ и двух воздушных промежутков, высота нижнего участка заряда Н₁=6 м. ВВ - граммонит 79/21 ГОСТ 21988-76 со скоростью детонации 3000 м/с. Инициирование - электродетонаторами мгновенного действия. В каждом участке устанавливается по одному боевику (n₁=1; n₂=1; n₃=1); в верхнем участке - на границе раздела забойка - взрывчатое вещество (k₃=0), в среднем участке - на границе раздела взрывчатое вещество - воздушный промежуток (k₂=0), в нижнем участке - во внутренней части участка (κ₁=1). Согласно предлагаемому изобретению при h₁=6 м, n₁=1; k₁=1; n₂=1; k₂=0 высота среднего участка Н₂ рассчитывается по формуле Н₂={6/[1×(1+1/1)]}×3000/3000×1×(1+0/1)=3 м.

Высота верхнего участка Н₃ при Н₂=3 м (расчетная величина), n₃=1, k₃=0, рассчитывается по формуле

Н₃={3/[1×(1+0/1)]}×3000/3000×1×(1+0/1)=3 м

или при h₁=6 м, n₁=1; k₁=1; n₃=1; k₃=0 по формуле

Н₃={6/[1×(1+1/1)]}×3000/3000×1×(1+0/1)=3 м.

Высота воздушных промежутков берется по 2 м. Общая высота скважинного заряда - 16 м. Воздушный промежуток составляет 0,25 от высоты скважинного заряда.

Фиг.4 - скважинный заряд сформирован из двух участков с одним воздушным промежутком; высота нижнего участка заряда ₁=5 м, установлен один боевик (n₁=1) на границе раздела воздушный промежуток - взрывчатое вещество (k₁=0), ВВ - гранулотол ГОСТ 25857-83 со скоростью детонации 6000 м/с. Верхний участок выполнен из граммонита 79/21 ГОСТ 21988-76 со скоростью детонации 3000 м/с, в нем установлено пять боевиков (n₂=5), один на границе раздела забойка - взрывчатое вещество, три - во внутренней части участка (k₂=3), пятый - на границе раздела взрывчатое вещество - воздушный промежуток. Инициирование - электродетонаторами мгновенного действия. Согласно предлагаемому изобретению H₂={5/[1×(1+0/1)]}×3000/6000×5×(1+3/5)=20 м. Высота воздушного промежутка принимается 7 м. Общая высота скважинного заряда 32 м. Воздушный промежуток - 0,22 от высоты скважинного заряда.

Фиг.5 - заряд сформирован из трех участков с двумя воздушными промежутками. ВВ - граммонит 79/21 ГОСТ 21988-76 со скоростью детонации 3000 м/с. Нижний участок высотой Н₁=7,5 м, в нем установлен один боевик на границе взрывчатое вещество - дно скважины (n₁=1, k₁=0); в среднем и верхнем участках заряда установлено по одному боевику во внутренней части каждого из участков (n₂=1, k₂=1, n₃=1, k₃=1) Инициирование - трехточечное электродетонаторами ЭДЗИ, замедление (например, t_зам=0,002 с) устанавливается в среднем и верхнем участках заряда взрывчатого вещества электронным способом на многоканальном взрывном приборе КВВМ-1.

Расчет высоты среднего участка заряда: при Н₁=7,5 м, n₁=1, k₁=0, D₁=3000 м/c; D₂=3000 м/c, n₂=1, k₂=1, то Н₂={(7,5/[1×(1+0/1)]×3000/3000-3000×0,002}×1×2=3 м.

Расчет высоты верхнего участка заряда: при Н₁=7,5 м, n₁=1, k₁=0, D₁=3000 м/c; D₃=3000 м/с, n₃=1, k₃=1, то Н₃={(7,5/[1×(1+0/1)]×3000/3000-3000×0,002}×1×2=3 м; или при Н₂=3 м (расчетная величина), D₂=3000 м/с, n₂=1, k₂=1, D₃=3000 м/с, n₃=1, k₃=1, так как верхний участок не имеет замедления по отношению к среднему участку, то Н₃={(3/[1×(1+1/1)]×3000/3000}×1×(1+1/1)=3 м.

Высоты воздушных промежутков принимаются по 2 м. Общая высота скважинного заряда 17,5 м, воздушный промежуток составляет 0,23 от высоты скважинного заряда.

В лабораторно-полигонных и промышленных условиях проверена работоспособность скважинных зарядов с воздушными промежутками, сформированных по заявляемому способу, при ведении взрывных работ при заряжании скважин различного диаметра в породах различной крепости.

При формировании скважинных зарядов проведены расчеты высот участков заряда взрывчатого вещества, выбраны высоты воздушных промежутков и места установки боевиков в зависимости от используемых взрывчатых веществ при соблюдении условия одновременности завершения детонации всех участков или слоев участка при комбинированном заряде, входящих в состав заряда с воздушными промежутками. Схема расположения боевиков выбиралась в зависимости от марок взрывчатых веществ, условий взрывания (мгновенное или с замедлением), исходя из требований к качеству взрываемой массы.

Ведение буровзрывных работ по предлагаемому способу формирования скважинного заряда позволило повысить равномерность дробления горной породы за счет снижения выхода негабаритной (крупнокусковой) фракции: средний размер куска уменьшился в 1,5-2 раза. При этом удельный расход взрывчатых веществ сократился на 15-25%. Предлагаемый способ формирования скважинных зарядов с воздушными промежутками позволяет расширить сетку бурения, использовать комбинированные заряды, что приводит к снижению себестоимости буровзрывных работ, повышению производительности погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования. По предлагаемому способу формирования скважинного заряда взорвано 200 тыс.м³ горной породы.

Источники информации

1. А.с. СССР № 148741.

2 Мосинец В.Н. Дробящее и сейсмическое действие взрыва в горных породах. - М.: Недра, 1976, с.111-120.

3. Скважинные заряды с воздушными промежутками. - Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1974.

4. Патент России № 2112207.

Формула изобретения

Способ формирования скважинного заряда, включающий размещение в скважине взрывчатого вещества в виде отдельных участков, разделенных воздушными промежутками, установку боевиков и средств инициирования, забойку верхней части скважины инертным материалом, отличающийся тем, что в каждом участке заряда взрывчатого вещества устанавливают один или несколько боевиков, инициируемых таким образом, что детонация взрывчатого вещества на всех участках заряда завершается одновременно, задаваясь высотой одного из участков заряда взрывчатого вещества, количеством, местом установки и интервалом замедления боевиков, высоты остальных участков заряда взрывчатого вещества (H_i) рассчитывают по формуле:

где H₁ - известная высота одного из участков скважинного заряда, м;

D_i, D₁ - скорости детонации взрывчатого вещества i-го и i=l участков заряда, м/с;

n_i, n₁ - количество боевиков (промежуточных детонаторов), установленных на i-м и i=1 участках заряда, шт.;

t_зам - время замедления инициирования боевиков, установленных на i-м участке заряда взрывчатого вещества относительно момента срабатывания боевика на i=1 участке заряда взрывчатого вещества, с;

k_i, k₁ - количество боевиков, установленных во внутренней части i-го и i=1 участков заряда взрывчатого вещества, шт.;

знак “±” в формуле расчета высоты участка заряда взрывчатого вещества при инициировании с замедлением зависит от направления замедления:

+ - замедление участков заряда взрывчатого вещества в направлении от устья к забою скважины;

- - замедление участков заряда взрывчатого вещества в направлении от забоя к устью скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5