Способ ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах

Изобретение относится к области горного дела, к способам ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах неводоустойчивыми взрывчатыми веществами. Способ включает использование скважинного заряда из одного или нескольких патронов одинакового диаметра, выполненных в полимерной водонепроницаемой оболочке, содержащих неводоустойчивое взрывчатое вещество, чувствительное к импульсу первичного средства инициирования с плотностью меньше 1000 кг/м³, разделенное слоем инертного вещества с плотностью больше 1000 кг/м³, длина которого определяется по формуле, при соотношениях диаметров заряда и скважины - 0,7-0,9. Передача детонации взрывчатому веществу через слой инертного материала в патроне осуществляется детонирующим шнуром, размещенным на поверхности патрона на участках взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала, в виде двух узлов обвязки, состоящих из не менее 2-х витков детонирующего шнура, соединенных между собой линейным участком детонирующего шнура и плотно закрепленных на поверхности патрона, или неэлектрическими детонаторами, плотно закрепленными к поверхности участков взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала, соединенных между собой отрезком ударно-волновой трубки. При этом инициирование заряда осуществляют мгновенно или с замедлением штатными средствами взрывания. Изобретение позволяет снизить стоимость ведения взрывных работ, повысить равномерность и интенсивность дробления горной породы, увеличить выход горной массы с 1 п.м. скважины, улучшить проработку подошвы уступа, повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования, улучшить экологическую обстановку в районе проведения массовых взрывов. 3 ил.

 

Изобретение относится к области горного дела, в частности к способам ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах неводоустойчивыми взрывчатыми веществами, и может найти применение на открытых горных работах при разработке месторождений полезных ископаемых.

Стоимость взрывных работ в обводненных скважинах может быть значительно снижена за счет применения дешевых аммиачно-селитренных взрывчатых веществ. Процесс формирования колонки заряда неводоустойчивым взрывчатым веществом при заряжании обводненных скважин сопровождается потерей легкорастворимых компонентов взрывчатого вещества, в первую очередь аммиачной селитры, при их движении через столб воды. Одним из возможных путей решения проблемы заряжания обводненных скважин неводоустойчивыми аммиачно-селитренными взрывчатыми веществами является их гидроизоляция различными водонепроницаемыми материалами [1-9].

В связи с тем, что плотность сыпучего аммиачно-селитренного взрывчатого вещества в водонепроницаемой оболочке меньше плотности воды, необходимо создать условия для принудительной подачи элементов заряда через столб воды в скважину [10].

Наиболее близким из известных технических решений к заявляемому изобретению является способ заряжания обводненных скважин неводоустойчивым взрывчатым веществом в эластичной оболочке, когда колонку скважинного заряда формируют из патронов, длина которых превышает длину размещаемого в нем взрывчатого вещества в 1,2 раза. Оболочку патрона заполняют неводоустойчивым взрывчатым веществом, герметизируют, а на горном предприятии-потребителе путем разгерметизации верхней части оболочки при вертикальном положении патрона добавляют 10-12% раствора аммиачной селитры и опускают патрон в скважину [3], принятый авторами в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость подготовки патрона к заряжанию скважин и снижение детонационной способности из-за подачи патронов в скважину через столб воды в разгерметизированном виде.

Технической задачей изобретения является повышение технико-экономической эффективности ведения взрывных работ за счет снижения стоимости и повышения кпд взрыва, равномерности дробления горных пород, экологической чистоты ведения взрывных работ.

Техническая задача была решена разработкой способа ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах, включающего бурение скважин, подачу в них патронов через столб воды, установку средств инициирования, забойку инертным материалом и инициирование, в котором скважинный заряд состоит из одного или нескольких патронов одинакового диаметра, выполненных в полимерной водонепроницаемой оболочке, содержащих неводоустойчивое взрывчатое вещество, чувствительное к импульсу первичного средства инициирования, с плотностью меньше 1000 кг/м³, разделенное слоем инертного материала с плотностью больше 1000 кг/м³, длина которого определяется следующей зависимостью:

I_ин=l_п(ρ_п-ρ_вв)/(ρ_ин-ρ_вв),

где: l_ин - длина слоя инертного материала, м;

l_п - длина патрона, м;

ρ_вв, ρ_ин, ρ_п - плотности неводоустойчивого взрывчатого вещества, инертного материала и патрона, кг/м³,

при соотношениях диаметров заряда и скважины 0,7-0,9; передача детонации взрывчатому веществу через слой инертного материала в патроне осуществляется детонирующим шнуром, размещенным на поверхности патрона на участках взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала, в виде двух узлов обвязки, состоящих из не менее 2-х витков детонирующего шнура, соединенных между собой линейным участком детонирующего шнура и плотно закрепленных на поверхности патрона; или неэлектрическими детонаторами, соединенными между собой отрезком ударно-волновой трубки, плотно закрепленными к поверхности участков взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала; при этом инициирование заряда осуществляют мгновенно или с замедлением штатными средствами взрывания.

В качестве водонепроницаемой полимерной оболочки используют полимерные рукава из полиэтилена или полипропилена, или полиамида. Торцы рукава собирают в «чуб» и заделывают клипсованием, сваркой или любым известным методом.

Патрон изготавливают путем загрузки в полимерный рукав взрывчатого вещества, рассредоточенного слоем инертного материала в индивидуальной упаковке (оболочке); или взрывчатое вещество делят на несколько отдельных участков путем установки между ними индивидуальных упаковок инертного материала при соблюдении заявляемого соотношения высот участков взрывчатого вещества и слоев инертного материала.

Вести заряжание скважин при d/D<0,7 нецелесообразно из-за низкой плотности заряжания скважин, а при соотношении d/D>0,9 затруднена подача патрона в скважину через столб воды из-за низкой скорости потопляемости и возможности застревания их в зауженных местах поперечного сечения скважины.

Инициирование колонки заряда из патронированных взрывчатых веществ с инертными слоями основано на передаче детонации от патрона к патрону и передаче детонационного импульса взрывчатого вещества в каждом патроне через инертный промежуток с помощью детонирующего шнура или неэлектрических детонаторов, соединенных между собой ударно-волновой трубки (УВТ), неэлектрических систем взрывания, например Эдилин, СИНВ, «Нонель» или их аналогов.

Схемы патронов и скважинных зарядов на их основе приведены на фиг.1-3.

Фиг.1 - патрон, состоящий из участков взрывчатого вещества, разделенных между собой слоем инертного материала:

а) с использованием детонирующего шнура для передачи детонации между участками взрывчатого вещества;

б) с использованием неэлектрических детонаторов с отрезком ударно-волновой трубки для передачи детонации между участками взрывчатого вещества.

Фиг.2 - скважинный заряд из патронов взрывчатого вещества с использованием детонирующего шнура.

Фиг.3 - скважинный заряд из патронов взрывчатого вещества с использованием неэлектрических детонаторов с отрезком ударно-волновой трубки.

Обозначения:

1 - неводоустойчивое взрывчатое вещество;

2 - инертный материал;

3 - полимерный рукав;

4 - «чуб» полимерного рукава;

5 - зажим для герметизации полимерного рукава;

6 - упаковка (оболочка) инертного материала;

7 - скважина;

8 - узел обвязки участка взрывчатого вещества детонирующим шнуром;

9 - прямолинейные участки детонирующего шнура;

10 - средство закрепления узла обвязки детонирующего шнура или неэлектрического детонатора на поверхности участка взрывчатого вещества;

11 - неэлектрический детонатор;

12 - УВТ;

13 - патрон;

14 - вода скважины;

15 - промежуточный детонатор;

16 - забойка скважины;

l_ин - длина слоя инертного материала;

l_п - длина патрона;

D, d - диаметры скважины и заряда (патрона) взрывчатого вещества.

Патрон (фиг.1) состоит из полимерного рукава 3, заполненного неводоустойчивым взрывчатым веществом 1 с плотностью меньше 1000 кг/м³, чувствительного к импульсу первичных средств инициирования и инертным материалом 2 с плотностью больше 1000 кг/м³, взятых в предлагаемом соотношении, обеспечивающего погружение патрона в обводненную скважине через столб воды. Торцы патрона собраны в «чуб» 4 и заклипсованы или заделаны любым известным способом 5. Инертный материал 2 размещается в патроне 3 в индивидуальной упаковке 6. Детонирующий шнур размещен на участках взрывчатого вещества патрона в виде узлов обвязки 8 и линейных участков 9 (фиг.1a). Неэлектрические детонаторы 11 соединяются между собой отрезком ударно-волновой трубки 12 (фиг.1б). Узлы обвязки 8 детонирующего шнура и неэлектрические детонаторы 11 плотно закрепляются на поверхности патрона скотчем 10 или другим способом.

Скважинный заряд (фиг.2) формируется в виде колонки, состоящей из одного или нескольких патронов 13, подаваемых в скважину 7 через столб воды 14. При инициировании патронов скважинного заряда детонирующим шнуром (фиг.2) его размещают в виде узлов обвязки 8 по поверхности участка взрывчатого вещества до и после участка инертного материала и линейных участков 9. Узлы обвязки плотно закрепляют на поверхности участка взрывчатого вещества, например, скотчем 11. Передача детонации в каждом патроне через инертный слой может производиться также с помощью неэлектрических детонаторов 11, соединенных отрезком ударно-волновой трубки 12 (фиг.3). В этом случае неэлектрические детонаторы 11 размещают на поверхности участка взрывчатого вещества 1 до и после слоя инертного материала 2, вдоль которого проходит ударно-волновая трубка 12, соединяющая два неэлектрических детонатора 11. Подобная конструкция отрезка УВТ с двумя неэлектрическими детонаторами позволяет опускать патроны в скважину любым торцом с гарантированной передачей детонационного импульса через инертный слой между участками взрывчатого вещества патрона.

После опускания всех патронов в скважину производят забойку верхней незаряженной части скважины инертным материалом 16, роль которого может выполнять вода скважины при ее высокой обводненности.

Инициирование колонки скважинного заряда может осуществляться от промежуточного детонатора 15.

Предлагаемые патроны для формирования скважинного заряда могут изготавливаться как в условиях специализированных заводов-изготовителей взрывчатых веществ, так и на горных предприятиях, имеющих пункты производства промышленных взрывчатых веществ. В качестве инертного материала могут использоваться различные сыпучие природные материалы, например кварцевый песок, увлажненный водой для обеспечения необходимой плотности.

Основные преимущества заявляемого способа ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах в сравнении с прототипом:

- возможность управления процессом взрыва за счет многократного нагружения массива горных пород детонационными импульсами раздельно взрывающихся частей заряда взрывчатого вещества. Предлагаемое использование системы инициирования детонирующим шнуром, неэлектрическими детонаторами с ударно-волновой трубкой позволяет инициировать участки взрывчатого вещества в патроне с внутрискважинным с замедлением из-за различия скоростей детонации взрывчатого вещества, детонирующего шнура и УВТ, а также регулировать продолжительность импульса детонации взрывчатого вещества в патронах;

- снижение стоимости ведения буровзрывных работ за счет простоты изготовления патронов путем послойной засыпки взрывчатого вещества и инертного материала, позволяющей изготавливать их как на заводах-изготовителях взрывчатых веществ, так и на горных предприятиях, имеющих пункты производства промышленных взрывчатых веществ; использования дешевого инертного материала-утяжелителя патронов, простоты монтажа внутрискважинной взрывной сети.

Схема расчета параметров патрона и формирования скважинного заряда при заряжании обводненных скважин:

В зависимости от крепости пород и требований к взорванной породе выбирается тип неводоустойчивого взрывчатого вещества с плотностью менее 1000 кг/м³, чувствительного к импульсу первичного средства инициирования.

В зависимости от плотностей взрывчатого вещества и инертного материала рассчитывается соотношение длин участков взрывчатого вещества и слоев инертного материала и выбирается месторасположение узлов обвязки из детонирующего шнура и неэлектрических детонаторов с отрезком УВТ для передачи инициирующего импульса к участкам взрывчатого вещества через слой инертного материала.

Выбирается соотношение диаметра заряда и скважины.

Выбираются средства инициирования патронов взрывчатого вещества скважинного заряда.

Пример 1 (фиг.2).

Скважина - глубина 15 м, колонка скважинного заряда - 10 м, высота столба воды в скважине - 5 м, диаметр скважины - 0,25 м, диаметр патрона (заряда) - 0,20 м, соотношение d/D=0,8, длина патрона l_п=1 м, неводоустойчивое взрывчатое вещество гранулит РП-3 (ТУ 7276-028-11692478-2002), чувствительное к импульсу первичных средств инициирования (детонирующему шнуру, неэлектрическому детонатору, электродетонатору), с плотностью ρ_вв=850 кг/м³, плотность патрона для его потопления в воду ρ_п=1050 кг/м³, инертный материал - увлажненный песок с плотностью ρ_ин=2000 кг/м³. По прилагаемой формуле рассчитывается длина инертного промежутка l_ин=1,0(1050-850)/(2000-850)=0,17 м. Патроны длиной l_п=1 м выполняются из двух равных участков взрывчатого вещества с высотой по 0,415 м, разделенных слоем инертного материала l_ин=0,17 м, размещаемым в отдельной оболочке. Передача инициирующего импульса в каждом патроне через слой инертного материала осуществляется линейным участком детонирующего шнура и двух узлов обвязки из 4-х витков детонирующего шнура, размещенных на участках взрывчатого вещества, плотно закрепленных на поверхности патрона. Колонку скважинного заряда формируют из 10 патронов, установленных друг на друга и контактирующих по торцам. Принцип работы скважинного заряда: детонация взрывчатого вещества возбуждается от боевика, размещенного, например, на верхнем торце колонки скважинного заряда от штатных средств инициирования (детонирующий шнур, электрический или неэлектрический детонатор). Детонация по взрывчатому веществу в патроне приводит к срабатыванию витков детонирующего шнура, размещенного и плотно закрепленного на поверхности участка взрывчатого вещества. От узла обвязки детонационный импульс передается через слой инертного материала по линейному участку детонирующего шнура на второй узел обвязки и срабатывает другой участок взрывчатого вещества патрона. Передача детонации между патронами в колонке скважинного заряда осуществляется последовательно за счет плотного контакта между торцами взрывчатого вещества на стыке патронов.

Инициирование осуществляют мгновенно или с замедлением в зависимости от проекта взрывных работ.

Пример 2 (фиг.3)

Скважина - глубина 12 м, колонка скважинного заряда - 9 м, высота столба воды в скважине - 4 м, диаметр скважины - 0,25 м, диаметр патрона (заряда) - 0,20 м, соотношение d/D=0,8, длина патрона 1,5 м, неводоустойчивое взрывчатое вещество - аммонит №6ЖВ (ГОСТ 21984-76), чувствительное к импульсу первичных средств инициирования (детонирующему шнуру, неэлектрическому детонатору, электродетонатору), с плотностью ρ_вв=900 кг/м³, инертный материал - увлажненный песок с плотностью ρ_ин=2100 кг/м³, заданная плотность патрона ρ_п=1100 кг/м³, длина слоя инертного материала, рассчитанная по прилагаемой формуле, равна l_ин=1,5(1100-900)/(2100-900)=0,25 м. Патроны длиной 1,5 м заполняют в следующем порядке: два участка из взрывчатого вещества высотой по 0,625 м, разделенных слоем инертного материала высотой 0,25 м. Средство инициирования колонки скважинного заряда - промежуточный детонатор в виде шашки-детонатора массой 300 г, устанавливается в донной или устьевой части скважины на торце патрона на участке взрывчатого вещества, инициируемый системой взрывания, например СИНВ или Эдилин. Передача инициирующего импульса в каждом патроне через слой инертного материала осуществляется двумя неэлектрическими детонаторами, соединенными отрезком ударно-волновой трубки. Неэлектрические детонаторы размещаются и плотно удерживаются, например, скотчем на участках взрывчатого вещества патрона, а отрезок ударно-волновой трубки проходит вдоль участка инертного материала. Колонка скважинного заряда формируется из 6 патронов.

Принцип работы скважинного заряда: детонацию в колонке заряда взрывчатого вещества возбуждают промежуточным детонатором (боевиком) от штатной системы инициирования. Распространяющаяся от боевика по заряду взрывчатого вещества детонационная волна инициирует близлежащий неэлектрический детонатор, взрывной импульс которого по ударно-волновой трубке передается соединенному с ней второму неэлектрическому детонатору, который инициирует взрыв участка взрывчатого вещества через слой инертного материала. Передача детонация от патрона к патрону осуществляется через участки взрывчатых веществ, которыми патроны соприкасаются между собой.

Формирование скважинного заряда осуществляют в процессе заряжания скважин путем поочередной подачи патронов и размещения средств инициирования. При погружении патронов вода скважины поднимается вверх по кольцевому зазору. По окончании процесса формирования скважинного заряда производится забойка скважины инертным материалом. При высоком уровне обводненности скважин в качестве материала забойки скважины может использоваться вытесненная зарядом вода.

Ведение буровзрывных работ предлагаемым способом позволяет использовать все типы неводоустойчивых взрывчатых веществ с плотностью ниже плотности воды, чувствительные к импульсу первичных средств инициирования. Увеличение эффективности дробления горных пород достигается за счет дополнительной герметизации устья скважин слоем забойки, препятствующему преждевременному прорыву продуктов взрыва в атмосферу до начала разрушения массива горных пород. При заряжании скважин патронами, состоящими из взрывчатого вещества, разделенного слоями инертного материала, формируется рассредоточенный заряд, который при детонации за счет встречно-направленного движения продуктов взрыва, их многократного воздействия на разрушаемый массив горных пород увеличивает время активного действия на стенки скважины по высоте разрушаемого уступа, что увеличивает эффективность дробления горных пород. За счет действия ударных волн в радиальном направлении происходит мгновенное сжатие кольцевого водного зазора с одновременным повышением плотности и температуры воды, в результате чего она переходит в парообразное состояние (парогаз) и, расширяясь, действует на стенки скважины по всей высоте разрушаемого уступа. Парогаз за счет высокого парциального давления, эффекта расклинивания проникает в трещины породного массива и тем самым достигается более интенсивное дробление горной породы.

В заявляемом способе при наличии кольцевого водного зазора реализуется эффект пылеподавления за счет смачивания пылевидных частиц взорванной породы конденсатом парогаза, их коагуляция и гравиметрическое осаждение на более ранней стадии разлета взорванной горной породы. Пылевое облако с большим количеством мелких утяжеленных парогазом пылевидных частиц горной породы выпадает над местом ведения взрывных работ и не загрязняет окружающую территорию.

Вода нейтрализует токсичные газы, образующиеся при взрыве. Оксиды азота и углерода взаимодействуют с водой с образованием жидкой фазы, которая также осаждается над местом взрыва, предотвращая распространение токсичных продуктов в виде газообразных облаков и выпадения кислотных дождей за границей опасной зоны при взрыве.

При заряжании обводненных скважин металлсодержащими взрывчатыми веществами вода скважины принимает участие в химическом взаимодействии металла с водой, которая выступает по отношению к металлу как окислитель.

Предлагаемый способ ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах обеспечивает заявляемый технический результат:

- снижение стоимости ведения взрывных работ за счет снижения расходов на осушение скважин, использования недорогих неводоустойчивых аммиачно-селитренных взрывчатых веществ; простоты изготовления патронов и простоты монтажа внутрискважинной взрывной сети;

- расширение области использования неводоустойчивых взрывчатых веществ в скважинах разной степени обводненности;

- повышение кпд взрыва за счет встречно-направленного движения продуктов взрыва в осевом и радиальном направлениях, расклинивающего эффекта, более позднего разрушения скважин за счет запирающего эффекта, создаваемого инертным материалом как составной части скважинного заряда;

- повышение равномерности дробления горной породы за счет снижения максимального давления и температуры продуктов взрыва, увеличения средневзвешенного давления и времени действия продуктов взрыва на горный массива;

- повышение экологической чистоты ведения буровзрывных работ за счет применения сбалансированных по кислородному балансу взрывчатых веществ. нейтрализации токсичных газов продуктов взрыва, подавления образующейся пыли при разрушении горной породы, ограничения размеров пылегазового облака в пределах опасной зоны взрыва за счет воды скважины;

Предлагаемый способ ведения буровзрывных работ был проверен на скважинах различных диаметров и степени обводненности, в породах различной крепости.

Ведение буровзрывных работ по предлагаемому способу с использованием неводоустойчивых взрывчатых веществ, разделенных слоями инертного материала, позволило снизить стоимость ведения взрывных работ за счет снижения затрат на применение высокоплотных дорогостоящих водоустойчивых взрывчатых веществ, повысить равномерность и интенсивность дробления горной породы за счет повышения выхода кондиционных и снижения негабаритных фракций на 8-10%, увеличить выход горной массы с 1 п.м скважины, улучшить проработку подошвы уступа, что позволило повысить производительность погрузочно-транспортного и дробильно-сортировочного оборудования; улучшить экологическую обстановку в районе проведения массовых взрывов, сократив время рассеивания в атмосфере пылегазового облака.

Источники информации:

1. Патент РФ №2133942.

2. Патент РФ №1630440.

3. Патент РФ №2117912.

4. Патент РФ №2201573.

5. Патент РФ №2224975.

6. Патент РФ №1826694.

7. Патент РФ №1818519.

8. Авторское свидетельство СССР №118736.

9. ГОСТ №21984-76.

10. Патент РФ №2201575.

Способ ведения буровзрывных работ в обводненных скважинах, включающий бурение скважин, подачу в них патронов через столб воды, установку средств инициирования, забойку инертным материалом и инициирование, отличающийся тем, что скважинный заряд состоит из одного или нескольких патронов одинакового диаметра, выполненных в полимерной водонепроницаемой оболочке, содержащих неводоустойчивое взрывчатое вещество, чувствительное к импульсу первичного средства инициирования, с плотностью меньше 1000 кг/м³, разделенное слоем инертного материала с плотностью больше 1000 кг/м³, длина которого определяется следующей зависимостью:

где l_ин - длина участка инертного материала, м;

l_п - длина патрона, м;

ρ_вв, ρ_ин, ρ_п - плотности неводоустойчивого взрывчатого вещества, инертного материала и патрона, кг/м³,

при соотношениях диаметров заряда и скважины 0,7-0,9, передача детонации взрывчатому веществу через слой инертного материала в патроне осуществляется детонирующим шнуром, размещенным на поверхности патрона на участках взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала, в виде двух узлов обвязки, состоящих из не менее 2-х витков детонирующего шнура, соединенных между собой линейным участком детонирующего шнура и плотно закрепленных на поверхности патрона, или неэлектрическими детонаторами, соединенными между собой отрезком ударно-волновой трубки, плотно закрепленными к поверхности участков взрывчатого вещества, прилегающих к слою инертного материала, при этом инициирование заряда осуществляют мгновенно или с замедлением штатными средствами взрывания.