Способ ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного взрывчатого вещества
Изобретение относится к способам ведения взрывных работ. Предложен способ ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного взрывчатого вещества, включающий изготовление эмульсионного взрывчатого вещества в смесительно-зарядной машине, содержащего эмульсию и гранулированный пористый пластик с размером гранул не менее 1 мм, формирование заряда эмульсионного взрывчатого вещества в обводненной скважине путем закачивания полученного эмульсионного взрывчатого вещества на дно скважины со скоростью, большей скорости всплытия эмульсионного взрывчатого вещества, обеспечивающей заполнение сечения скважины и выдавливание из нее столба воды, и инициирование заряда эмульсионного взрывчатого вещества от промежуточного детонатора, размещенного внутри колонки заряда. Изобретение обеспечивает безопасное изготовление и применение заряда эмульсионного взрывчатого вещества плотностью ниже 1 г/см3, обладающего водоустойчивостью и механической устойчивостью к вибрации. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к безопасным способам ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом низкоплотного эмульсионного взрывчатого вещества.
Низкоплотные взрывчатые вещества (НВВ) применяются на взрывных работах в ряде случаев, когда требуется снизить дробящее действие взрыва на разрушаемый массив горных пород (для постановки бортов карьеров в предельное положение - снижение заколообразования, что обязательно при проведении «гладкого» взрывания профильных выемок в транспортном и энергетическом строительстве). Другого способа образования откосов (выемок) с использованием энергии взрыва в настоящее время не существует.
Известен класс промышленных ВВ - водонаполненные взрывчатые вещества. Этот класс разделяется на два подкласса: водногелевые (типа «сларри») и эмульсионные (типы: «А» - прямые эмульсии и «Б» - обратные эмульсии) [М.А.Кук «Наука о промышленных взрывчатых веществах». - М.: Недра, 1980 г.]. Поскольку вода является инертным компонентом (не участвует в химических реакциях взрывчатого превращения) в указанных ВВ, ее основное назначение - облегчение технологии получения ВВ (все указанные вещества относятся к системам «жидкость-жидкость» и, в отличие от систем «жидкость-твердое», более технологичны и менее энергозатратны при изготовлении). Эти ВВ менее восприимчивы к средствам инициирования взрыва (капсюль-детонатор, электродетонатор, промежуточный детонатор: заряд из ВВ более чувствительного, чем основной инициируемый заряд).
Критерием чувствительности к средствам инициирования является «критический диаметр» - минимально возможный диаметр заряда ВВ, при котором в нем еще возможен незатухающий по длине заряда детонационный процесс; инициирование основного заряда осуществляется уже не от первичного инициатора (капсюль-детонатор), а от этого заряда.
Взрывчатые «сларри» и эмульсии имеют значение критического диаметра на уровне 100 мм и более. Условия применения этих веществ (диаметры скважин и шпуров, где размещаются эти материалы) не всегда больше указанного значения критического диаметра. Для снижения критического диаметра и получения возможности применения рассматриваемых взрывчатых материалов в шпурах и скважинах малого диаметра в состав указанных веществ вводятся «сенсибилизаторы» - вещества и материалы, повышающие чувствительность к средствам инициирования и снижающие критический диаметр [М.А.Кук «Наука о промышленных взрывчатых веществах». - М.: Недра, 1980 г.]. Это могут быть как индивидуальные ВВ (тринитротолуол, гексоген, октоген и др.) так и металлические порошки (алюминий или сплав алюминия с кремнием - «феросилиций» размером зерен 100 мкм и менее), а также полые стеклянные или полимерные шарики («микросферы») размером 100-150 мкм [М.Б.Генералов «Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ». - М.: Академкнига, 2004 г.]. Последние имеют насыпную плотность менее 1000 кг/м3. Этот же принцип заложен в известных патентах Канады №2171156, 1996 г. и США №2002/0124917, НКИ 149/46, где для снижения энергетики взрыва в эмульсию добавляются стеклянные микросферы.
Известны способы сенсибилизации эмульсий и «сларри» химической газогенерацией, когда в эмульсию или «сларри» подмешивается химическое вещество, выделяющее при взаимодействии с компонентами эмульсии или «сларри» большое количество газообразных продуктов
Исходные эмульсии и «сларри» имеют плотность 1300 кг/м3 и более.
Смеси эмульсий и «сларри» с микросферами, а также системы после химической газогенерации имеют плотность от 1200 кг/м3 и менее - в зависимости от содержания в смеси микросфер. Таким образом получают взрывчатые смеси, чувствительные либо к первичным средствам инициирования (капсюль-детонатор) - со значением критического диаметра не более 60 мм, либо к промежуточным детонаторам (со значением критического диаметра более 60 мм). Первые, по классификации Международного экспертного совета ООН ["Рекомендации по перевозке опасных грузов. Руководство по испытаниям и критериям". Издание 4-е. ООН. Нью-Йорк и Женева, 2003 г. 423 с.] относятся к классу 1.1.D. Вторые - к классу 1.5.D.
Таким образом, добавление пористых низкоплотных материалов в исходные «сларри» и эмульсии ставит перед собой цель снижение критического диаметра детонации и перевод менее чувствительных (1.5.D) в более чувствительные (1.1.D) взрывчатые вещества. Снижение же при этом плотности является вторичным показателем и ценности собой не представляет. Даже наоборот, получается меньшая концентрация энергии в единице объема заряда, что уменьшает общую работу взрыва.
Но, тем не менее, малоплотные ВВ также находят свое применение в специальных направлениях взрывных работ: «щадящее» взрывание и др., требующих малодробящего действия взрыва, что недостижимо с высокоплотными ВВ [В.Л.Барон, В.Х.Кантор "Техника и технология взрывных работ в США". М.: Недра, 1989 г.].
Известен способ изготовления и применения низкоплотных гранулированных ВВ для производства взрывных работ в промышленности [Е.Г.Баранов, А.Т.Ведин, И.Ф.Бондаренко «Малоплотные взрывчатые вещества для открытых горных работ», М.: Недра, 1993 г.].
Недостатки этого известного способа состоят в следующем:
- Взрывчатое вещество (взрывчатая смесь) готовится на стационарном производстве, которое может находиться в значительном удалении от места применения.
- Перевозки низкоплотных ВВ к местам производства взрывных работ значительно удорожают стоимость этих ВВ за счет неполного использования грузоподъемности транспортного средства.
- Производство гранулированных низкоплотных ВВ двустадийно:
предварительно вспенивают полистирол и только после этого его смешивают с гранулированной аммиачной селитрой и горючими компонентами (дизельное топливо, угольный порошок и проч.).
- Получаемое ВВ невозможно зарядить в обводненные скважины, т.к. его плотность ниже плотности воды (оно будет плавать по поверхности, колонку заряда сформировать не удастся).
- Получаемое ВВ неводоустойчиво (теряет взрывчатые свойства при контакте с водой). Даже если удалось зарядить сухую скважину гранулированным низкоплотным ВВ и она впоследствии заполнилась водой от атмосферных осадков, то заряд не взорвется. Таким образом, возможна зарядка только сухих скважин.
- Так как ВВ представляет собой смесь плотных (плотностью более 1 г/см3) и малоплотных (плотностью менее 1 г/см3) гранул, то возможна сегрегация (расслоение) смеси под действием гравитационных сил, возникающих при вибрации (например, при транспортировании смеси к месту производства взрывных работ при заряжании скважин).
Известен также способ применения «гирляндных» зарядов, при котором для достижения эффекта «мягкого» (щадящего) взрывания в скважину большого диаметра (например, диаметром 244 мм) опускается малого диаметра гирлянда (из связанных между собою) прессованных шашек-детонаторов из водоустойчивого ВВ (типа Т-400Г, диаметром 82 мм) или гидроизолированных патронов неводоустойчивого порошкообразного аммиачно-селитренного ВВ (типа аммонит 6ЖВ, диаметром 32 мм). Разница диаметров скважины и гирляндного заряда создает так называемый «кольцевой зазор». ВВ не соприкасается с породой, в результате чего дробящее действие взрыва на породу резко уменьшается. «Низкая плотность» ВВ в скважине достигается за счет уменьшения концентрации энергии в единице объема скважины, а не за счет изменения плотности самого ВВ [Министерство монтажных и специальных строительных работ СССР "Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности". М.: Недра, 1972 г.].
Недостатки известного способа следующие.
- Для изготовления «гирляндных» зарядов требуются исключительно большие затраты ручного труда.
- Для устойчивой передачи детонации от шашки к шашке (от патрона к патрону) гирлянда вяжется на 2-3-х нитках детонирующего шнура (ДШ). ДШ также может замокать через трещины в пластиковой оболочке и плохую гидроизоляцию обрезов и сростков, что приводит к неполной детонации или отказу всего заряда.
- Гидроизоляция патронов неводоустойчивого порошкообразного аммиачно-селитренного ВВ также может быть недостаточной, что приводит к неполной детонации или отказу всего заряда.
- Патроны неводоустойчивого порошкообразного аммиачно-селитренного ВВ имеют плотность менее 1 г/см3, что делает невозможным размещение гирлянды в обводненной скважине без дополнительных пригрузов.
- При работе с патронированными порошкообразными ВВ наличие «кольцевого зазора» опасно возможностью возникновения «канального эффекта» - когда опережающая детонационную ударная воздушная волна распространяется по скважине, спрессовывая ВВ в патроне до плотности выше критической, при которой порошкообразное ВВ перестает детонировать, что приводит к неполной детонации или отказу всего заряда.
Прототипом изобретения является способ ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом низкоплотного эмульсионного взрывчатого вещества, при котором в смесительно-зарядную машину раздельно загружают невзрывчатые компоненты эмульсионного взрывчатого вещества, представляющего собой механическую смесь эмульсии и гранулированной твердой фазы, затем включают машину в работу, получают взрывчатую смесь компонентов путем механического их смешения, закачивают смесь на дно обводненной скважины со скоростью, большей скорости всплытия эмульсионного взрывчатого вещества, обеспечивающей заполнение сечения скважины и выдавливание из нее столба воды, и инициируют от промежуточного детонатора, размещенного внутри колонки заряда [В.Л.Барон, В.Х.Кантор "Техника и технология взрывных работ в США". М.: Недра. 1989 г., стр.82, 84. 90].
В прототипе для достижения низкой плотности в эмульсию при заряжании вводят большое количество водного раствора нитрита натрия. Нитрит натрия вступает в химическую реакцию с аммиачной селитрой, входящей в состав эмульсии. Продукты реакции - газообразный азот и его окислы. Образующиеся газовые пузыри насыщают собой весь объем эмульсии, в результате чего плотность ВВ становится менее 1 г/см3. На практике удалось достичь плотности таких ВВ около 0,5 г/см3. Дальнейшее снижение плотности затруднительно, т.к. ВВ уже представляет собой подобие пены. Эта пена механически непрочна и от малейшего внешнего возмущения гасится (садится).
В соответствии с указанным недостатки известного способа состоят в следующем:
- Не удается достичь плотности низкоплотных взрывчатых веществ менее 0,5 г/см3.
- Получаемая пена механически малопрочна и гасится (садится) при малейшем внешнем воздействии.
- Газовые пузыри безо всякого внешнего воздействия могут коалисцировать (сливаться друг с другом). Вместо равномерного распределения газовых пузырей по всему объему НВВ получается большой газовый пузырь и отдельно - сгусток эмульсии. Равномерность заряда теряется. Требуемый эффект не достигается.
- Выделяющиеся при взаимодействии нитрита натрия и аммиачной селитры газы обладают сжимаемостью. Длина колонки заряда может достигать 20 метров и более. На дне заряда возникают достаточно большие гидростатические давления (колонка заряда давит своим весом), газы сжимаются - размеры газовых пузырей уменьшаются. Плотность пены возрастает. Эффект низкой плотности теряется.
- Реакция взаимодействия нитрита натрия и аммиачной селитры экзотермична (идет с выделением тепла). Пена обладает малой теплопроводностью. Тепло накапливается внутри НВВ. Повышение температуры выше +90°С ведет к разрушению эмульсии.
- Выделяющиеся при взаимодействии нитрита натрия и аммиачной селитры окислы азота являются окислителями, и при температуре, близкой к +90°С, способны воспламенить нефтепродукты, входящие в состав эмульсии. Это может привести к преждевременному взрыву (аварии).
В связи с этим технической задачей, решаемой изобретением, является создание безопасного способа ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного взрывчатого вещества плотностью ниже 1 г/см3, обладающим водоустойчивостью и механической устойчивостью к вибрации, а также обеспечение возможности закачки взрывчатого вещества заряда непосредственно на все сечение скважины под столб воды, без зазора.
Эта задача решена в способе ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного взрывчатого вещества, при котором в смесительно-зарядную машину раздельно загружают невзрывчатые компоненты эмульсионного взрывчатого вещества, представляющего собой механическую смесь эмульсии и гранулированной твердой фазы, затем включают машину в работу, получают взрывчатую смесь компонентов путем механического их смешения, закачивают смесь на дно обводненной скважины со скоростью, большей скорости всплытия эмульсионного взрывчатого вещества, обеспечивающей заполнение сечения скважины и выдавливание из нее столба воды, и инициируют от промежуточного детонатора, размещенного внутри колонки заряда, при этом используют низкоплотное эмульсионное взрывчатое вещество, а указанная механическая смесь имеет следующий состав (об.%):
| Эмульсия | 70-30 |
| Гранулированная твердая фаза - | |
| пористый низкоплотный пластик, | |
| например, пенополистирол с размером | |
| гранул не менее 1 мм | 30-70 |
Одной из частных реализаций способа является инициирование эмульсионного низкоплотного взрывчатого вещества от промежуточного детонатора, размещенного в нижней, верхней или средней части колонки заряда или одновременно в разных его частях.
При использовании способа скорость, обеспечивающая мгновенное заполнение сечения скважины и выдавливания из нее столба воды, больше скорости всплытия эмульсионного взрывчатого вещества.
Кроме того, для производства низкоплотного взрывчатого вещества может быть использована смесь эмульсии и крупных (размером 1 мм и более) гранул уже вспененного полистирола.
Способ реализуется следующим образом.
Производство НВВ происходит в одну стадию. В смесительно-зарядную машину (СЗМ) раздельно загружаются невзрывчатые компоненты низкоплотного эмульсионного ВВ, представляющего собой механическую смесь эмульсии и гранулированного пористого низкоплотного пластика (гранулы невспененного полистирола, горячий раствор аммиачной селитры, раствор эмульгатора в нефтепродукте).
Состав смеси, которая используется при этом, приведен в Таблице 1.
В Таблице 2 приведен состав исходной эмульсии.
| Таблица 1 | |||
| Наименование компонента | Норма, % объемные, для марки НВВ | ||
| НВВ-30 | НВВ-50 | НВВ-70 | |
| 1. Эмульсия | 70±1.0 | 50±1.0 | 30±1.0 |
| 2. Пенополистирол (гранулы размером не менее 1 мм вспененного полистирола) | 30±1.0 | 50±1.0 | 70±1.0 |
| Таблица 2 | ||
| Наименование компонента | Норма, % | |
| 1. Аммиачная селитра | 76,0±1 | |
| 2. Вода | 19,0±0,5 | |
| 3. Дизельное топливо, нефтепродукты отработанные и эмульгаторы: | ||
| 5,0±0,5 | ||
| в смеси следующего состава: | ||
| - дизельное топливо 42,5%±20% | ||
| - минеральные масла или отработанные нефтепродукты, | ||
| суммарно 42,5%±20% | ||
| - смесь эмульгаторов 15,0%±5% | ||
| ИТОГО - 100% |
При включении машины в работу происходит механическое смешение эмульсии (из горячего раствора аммиачной селитры и раствора эмульгатора в нефтепродукте) с гранулами невспененного полистирола. Затем смесь закачивают на дно обводненной скважины. При прохождении по трубопроводам и зарядному шлангу СЗМ полистирол подвергается длительному тепловому воздействию, в результате чего вспенивается. При использовании способа возможно также использование гранул уже вспененного полистирола. При этом размер гранул полистирола после вспенивания должен быть не менее 1 мм. Более мелкие гранулы полистирола не только уменьшают объемную концентрацию энергии ВВ, но и являются сенсибилизатором, т.е. делают ВВ более чувствительным к первичным средствам инициирования, что в рассматриваемом случае недопустимо.
На выходе зарядного шланга СЗМ получается НВВ - механическая смесь эмульсии и пенополистирола плотностью ниже 1 г/см3. Применение смесительно-зарядной машины позволяет закачать НВВ по зарядному шлангу, опускаемому на дно обводненной скважины. Подаваемое в скважину НВВ обладает большой вязкостью, сцепляется со стенками скважины и не всплывает.
Формируется сплошной заряд на все сечение скважины - без «кольцевого зазора», в результате чего опасный «канальный эффект», приводящий к затуханию детонации по длине заряда, не возникает.
Эмульсия обладает водоустойчивостью (при соприкосновении с водой не теряет взрывчатых свойств), вследствие чего НВВ может находиться в обводненных условиях без ограничения по времени.
Сегрегация эмульсионного НВВ происходит очень медленно вследствие высокой вязкости эмульсии, в результате чего эмульсионное НВВ сохраняет однородность в течение времени, достаточного от момента заряжания скважин до производства взрыва (более 1 недели).
Низкая плотность ВВ в скважине достигается именно за счет изменения плотности самого ВВ. А так как скорость детонации ВВ в основном прямо пропорциональна его плотности, то в результате уменьшения плотности достигается не только уменьшение концентрации энергии в единице объема, но и уменьшение скорости этого энерговыделения.
Эмульсионное НВВ инициируется от промежуточного детонатора, размещенного в нижней, верхней или средней части колонки заряда или одновременно в разных его частях.
Детонирующий шнур в этом случае находится внутри заряда эмульсионного НВВ и защищен от воздействия воды, способной вызвать его замокание и, как следствие, прерывание детонации.
Целесообразно в качестве компонента исходной эмульсии эмульсионного НВВ использовать аммиачную селитру, т.к. применение натриевой, кальциевой и проч. селитр существенно снижает энергию взрыва, что также может быть использовано для дополнительного регулирования объемной концентрации энергии.
В Таблице 3 приведены результаты полигонных испытаний (взрывание зарядов эмульсионного НВВ в картонных гильзах диаметром от 75 до 240 мм) для состава исходной эмульсии, приведенного в Таблице 2: получен устойчивый процесс детонации по всей длине заряда. Также экспериментально установлены (Таблица 3) скорости детонации открытых зарядов различных диаметров в зависимости от объемного содержания пенополистирола.
Приведенные в Таблицах числовые значения, определяющие плотность НВВ, обусловлены областью их применения, т.е. разработаны под конкретные горно-геологические условия с учетом физико-механических свойств разрушаемых пород.
| Таблица 3. | |||||
| Марка НВВ (плотность НВВ) | Скорость детонации в зарядах диаметром (м/сек) | ||||
| 75 мм | 120 мм | 160 мм | 200 мм | 240 мм | |
| НВВ-30 ρ=0,78 г/см3 | 2437 | 3030 | 3327 | 3752 | 3837 |
| НВВ-50 ρ=0,619 г/см3 | 2232 | 2593 | 3138 | 3418 | 3569 |
| НВВ-70 ρ=0,488 г/см3 | 1775 | 2289 | 2489 | 2745 | 2823 |
Предлагаемый способ не требует создания новых типов оборудования, т.к. изготовление эмульсионных НВВ технически возможно на существующих типах СЗМ, предназначенных для заряжания скважин эмульсионными ВВ.
Производство эмульсионного НВВ полностью механизировано. Трудоемкие ручные операции сведены к минимуму (только загрузка СЗМ компонентами).
Таким образом описанный способ состоит в создании простой и безопасной технологии изготовления и применения эмульсионных низкоплотных взрывчатых веществ.
1. Способ ведения взрывных работ в обводненной скважине зарядом эмульсионного взрывчатого вещества, включающий изготовление эмульсионного взрывчатого вещества в смесительно-зарядной машине путем раздельной загрузки невзрывчатых компонентов эмульсионного взрывчатого вещества, содержащего эмульсию и гранулированную твердую фазу, и механического смешения компонентов, формирование заряда эмульсионного взрывчатого вещества в обводненной скважине путем закачивания полученного эмульсионного взрывчатого вещества на дно скважины со скоростью, большей скорости всплытия эмульсионного взрывчатого вещества, обеспечивающей заполнение сечения скважины и выдавливание из нее столба воды, и инициирование заряда эмульсионного взрывчатого вещества от промежуточного детонатора, размещенного внутри колонки заряда, отличающийся тем, что формируют эмульсионное взрывчатое вещество плотностью ниже 1 г/см3, при этом в качестве гранулированной твердой фазы используют гранулированный пористый пластик с размером гранул не менее 1 мм при следующем соотношении компонентов, об.%:
| эмульсия | 70-30 |
| гранулированный пористый пластик | |
| с размером гранул не менее 1 мм | 30-70 |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный детонатор размещают в нижней, верхней или средней части колонки заряда или одновременно в разных его частях.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве гранулированного пористого пластика эмульсионное взрывчатое вещество содержит вспененный полистирол.
