Способ формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2563266:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области буровзрывных работ. Способ формирования короткой комбинированной забойки включает формирование нижней засыпной части из инертных мелкодисперсных материалов высотой 1,5-2 диаметра над воздушным промежутком и формирование на нижнюю засыпную часть верхней части из элементов каменного материала на высоту 0,5-1,5 диаметра скважины. На нижнюю часть опускают установленный в мягкий мешок транспортный контейнер с элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, разгружают его и удаляют из скважины. После этого снова засыпают инертный мелкодисперсный материал на высоту 1-1,5 диаметра скважины, на который опять разгружают каменный материал из транспортного контейнера. Процесс повторяют до полного формирования комбинированной забойки высотой не более 10 диаметров скважины. В способе используют транспортный контейнер, выполненный в форме цилиндра из металла или пластических масс. Верхнее кольцо контейнера размером 0,8-0,9 диаметра скважины, в котором равномерно закреплены прутки с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала, снабжено несущим шнуром, Транспортный контейнер вставлен в мягкий мешок размером на 20-30% большим диаметра скважины, снабженный ушками для крепления несущего шнура. Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности запирания продуктов детонации в зарядной полости короткой комбинированной забойкой и снижение затрат на ее формирование. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области буровзрывных работ и может быть использовано в различных отраслях, применяющих взрывное рыхление скальных массивов горных пород.
Известно, что наилучшее дробление горных пород взрывом обеспечивается применением укороченной забойки с воздушным промежутком над зарядом /1/. Укороченные забойки увеличивают зону регулируемого дробления, снижают выход негабарита, но должны обладать повышенным сопротивлением выбросу давлением газов взрыва - запирать их вплоть до момента разрушения массива горных пород в районе устья скважины, поэтому их выполняют комбинированными, размещая различные заклинивающие элементы в комбинации с засыпной частью /2/.
Известно формирование комбинированной засыпной забойки скважин следующим образом. Вначале над зарядом ВВ известным способом выполняют воздушный промежуток, затем формируют засыпной участок размещением сыпучего инертного материала на заданную высоту. После этого формируют буферный промежуток из пенополистирола аналогично воздушному промежутку, а на него на шнуре опускают острием вверх конус, например бетонный. Пространство между стенками скважины и конусом на всю его высоту заполняют щебнем, а затем до устья скважины засыпают мелкодисперсный инертный материал, например буровой шлам /3/.
Однако, как показали лабораторные исследования и опытные взрывы, при размещении конуса в скважину он устанавливается произвольным образом относительно вертикали и щебень укладывается неравномерно с разных сторон конуса, что снижает надежность запирания продуктов взрыва. Кроме того, существует опасность повреждения проводника инициирующего импульса при засыпке щебня на большую глубину.
Известно также устройство для запирания продуктов взрыва в зарядной полости скважины в виде комбинированной засыпной забойки взрывных скважин с элементами каменного материала, включающей нижнюю засыпную часть из инертных сыпучих материалов над воздушным промежутком и верхнюю комбинированную часть, в которой верхняя комбинированная часть забойки разделена на два отрезка: нижний отрезок длиной до трех диаметров скважины, заполненный элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, перемежающимися инертным сыпучим материалом крупностью менее 5 мм, и верхний, заполненный до верха скважины этим же инертным сыпучим материалом /4/.
Забойки такой конструкции либо не вылетают вовсе, либо их выброс происходит через 120-160 мс после вылета обычных засыпных забоек такой же длины; тем самым обеспечивается большая длительность запирания продуктов детонации в зарядной полости. Однако при формировании таких забоек камни приходится сбрасывать по одному и при больших диаметрах скважин на длине 10 диаметров (2,5 м для скважин 250 мм) камни приобретают большую скорость и могут повредить проводник инициирующего импульса.
Технической задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение эффективности запирания продуктов детонации в зарядной полости короткой комбинированной забойкой и снижение затрат на ее формирование.
Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин, включающем формирование нижней засыпной части из инертных мелкодисперсных материалов над воздушным промежутком и верхней комбинированной части из закладных элементов, согласно изобретению на нижнюю засыпную часть высотой 1,5-2 диаметра скважины формируют слой из элементов каменного материала на высоту 0,5-1,5 диаметра скважины, для чего на нижнюю часть опускают установленный в мягкий мешок транспортный контейнер с элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, разгружают его и удаляют из скважины, после этого снова засыпают инертный мелкодисперсный материал на высоту 1-1,5 диаметра скважины, на который опять разгружают каменный материал из транспортного контейнера; процесс повторяют до полного формирования комбинированной забойки высотой не более 10 диаметров скважины.
Поставленная задача достигается также тем, что короткую комбинированную забойку взрывных скважин формируют транспортным контейнером, согласно изобретению выполненным из металла или пластических масс, включающим снабженное несущим шнуром верхнее кольцо размером 0,8-0,9 диаметра скважины, в котором равномерно закреплены прутки с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала; транспортный контейнер вставлен в мягкий мешок размером на 20-30% большим диаметра скважины, снабженный ушками для крепления несущего шнура.
На чертежах схематично представлен процесс формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин с помощью транспортного контейнера.
На фиг. 1 схематично изображен процесс опускания в скважину транспортного контейнера с каменным материалом; на фиг. 2 - положение мягкого мешка с каменным материалом после удаления транспортного контейнера; на фиг. 3 - сформированная короткая комбинированная забойка взрывных скважин. На фиг. 4 показан транспортный контейнер, загруженный каменным материалом.
Способ формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин высотой до 10 диаметров скважины осуществляют следующим образом. После зарядки к каждой взрывной скважине 1 подвозят транспортные контейнеры 2, заполненные элементами каменного материала 3, включающими крупные камни 4 размером 0,5-0,6 диаметра скважины вперемешку со средними камнями 5 размером 0,2-0,4 диаметра скважины. Количество их определяется высотой и количеством слоев каменного материала, планируемых к размещению в данной скважине.
Транспортный контейнер 2 выполнен из металла или пластического материала и представляет собой снабженное несущим шнуром 6 верхнее кольцо 7 размером 0,8-0,9 диаметра скважины 1, на котором равномерно закреплены прутки 8 с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала. Высоту прутков 8 подбирают такой, чтобы объем транспортного контейнера вмещал каменный материал, позволяющий разместить его слоем высотой 0,5-1,5 диаметра скважины. Назначение транспортного контейнера 2 - сформировать элементы каменного материала в столб диаметром, меньшим проходного диаметра скважины 1. Транспортный контейнер 2 вставлен в мягкий мешок 9, выполненный, например, из полипропилена, на 30-50% большим по размеру диаметра скважины 1, и снабженный ушками 10 для пропуска несущего шнура 11. Мягкий мешок 9 служит для предотвращения высыпания элементов каменного материала из транспортного контейнера 2 при его переноске и опускании в скважину 1, поэтому высота его может быть минимальной. Кроме того, за счет значительной ширины мягкий мешок 9 позволяет каменному материалу, выходящему столбиком из транспортного контейнера 2, занять все сечение скважины за счет его расползания.
В скважине 1 над зарядом ВВ 12 известным способом формируют воздушный промежуток 13, высота которого равна разности между глубиной скважины 1 и суммарной высотой заряда ВВ 12 и формируемой забойки. Над воздушным промежутком 13 формируют нижнюю засыпную часть 14 сыпучим инертным материалом 15, например буровым шламом, засыпая его на высоту 1-2 диаметра скважины. После этого приступают к формированию первого слоя 16 из элементов каменного материала верхней комбинированной части забойки. Для этого несущий шнур 6 от верхнего кольца 7 закрепляют на поверхности блока, например, за камень и с помощью сдвоенного несущего шнура 11, пропущенного через ушки 10 мягкого мешка 9, транспортный контейнер 2 подносят и опускают в скважину 1. После касания мягким мешком 9 засыпной части 14, несущий шнур 11 за один конец поочередно выдергивают из ушков 10 и за несущий шнур 8 вынимают из мягкого мешка 9 транспортный контейнер 2, встряхивая его для лучшего высыпания элементов каменного материала, а затем удаляют его из скважины. Именно выполнение стенки транспортного контейнера 2 из прутков обеспечивает минимальный ее контакт с элементами каменного материала и соответственно минимальный их зажим. При выполнении транспортного контейнера в виде сплошной трубы каменный материал расклинивается в ней и не высыпается даже при неоднократном сильном встряхивании. А вибрации прутков 8 при встряхивании освобождают немногие зажатые куски и происходит полное освобождение транспортного контейнера 2 от камней.
Снявшийся мягкий мешок 9 под действием массы каменного материала расправляется и прижимается к стенкам скважины 1, копируя ее неровности и оставаясь, как показала опытная зарядка, открытым. При этом за счет плавного расползания мягкий мешок 9 прижимает проводник инициирующего импульса 17 к стенкам скважины 1, тем самым исключая возможность его повреждения при формировании слоя каменного материала 16 комбинированной части забойки.
После формирования слоя каменного материала 16 в скважину 1 снова засыпают порциями сыпучий инертный материал 15 до достижения высоты слоя засыпки 18 над слоем каменного материала 16 в 1-1,5 диаметра скважины. Часть сыпучего инертного материала 15 попадает внутрь мягкого мешка 9, заполняя промежутки между элементами каменного материала, что способствует повышению газонепроницаемости забойки. Затем процесс формирования слоев каменного материала и засыпных повторяют до полного заполнения отведенного под забойку участка скважины 1.
После детонации заряда ВВ 12 в зарядной полости резко возрастает давление продуктов детонации до величин в несколько десятков тысяч атмосфер и происходит удар газов по нижней части 14 забойки, существенно смягченный воздушным промежутком.
Экспериментально установлено /4/, что в засыпной забойке из зернистых материалов в первый момент времени после детонации заряда забоечный материал уплотняется в виде пробки и плотно расклинивается в скважине. После уплотнения, независимо от используемого материала, забойка выбрасывается с возрастающей скоростью, зарядная полость разгерметизируется и часть продуктов детонации из нее выбрасывается, не совершив полезной работы. Для исключения этого явления в комбинированной части забойки предусмотрено чередование слоев 16 с элементами каменного материала и засыпных слоев 18.
Начавшая движение нижняя засыпная часть 14 забойки воздействует на камни 4 и 5, расклинивая их между собой и в стенки скважины 1. При этом крупные камни 4 могут разрушаться до камней среднего размера 5, те, в свою очередь, переходят в более мелкий щебень. Процесс носит скачкообразный характер и возникает и развивается в каждом слое 16 заново, что в целом существенно увеличивает затраты времени на выброс забойки.
При проведении экспериментальных взрывов в скважинах диаметром 250 мм послойное размещение элементов каменного материала в комбинированной забойке проводили транспортным контейнером с диаметром верхнего кольца 200 мм при длине прутков 400 мм (см. фиг. 4), а буровой шлам засыпали обычной лопатой. Выброс из скважины комбинированной забойки высотой 1,5 м (6 диаметров скважины) начался через 240 мс после начала взрыва, в то время как выброс засыпных забоек высотой 2,5 м и 3,5 м (10 и 14 диаметров скважины соответственно) начался одновременно через 160 мс. Комбинированная забойка высотой 2 м (8 диаметров скважины) не была выброшена вовсе.
Применение транспортного контейнера для формирования комбинированной забойки взрывных скважин по сравнению с прототипом исключает повреждение проводника инициирующего импульса помещаемыми в скважину камнями забойки, повышает надежность работы забойки независимо от состояния стенок скважин. Ведь именно на участке от поверхности уступа высотой 10-15 диаметров размещался перебур скважин вышележащего уступа, поэтому здесь и наибольшая нарушенность стенок скважины, вывалы в них. А расползание мягкого мешка с заведомо большим размером, чем номинальный диаметр скважины, позволяет как бы копировать стенки скважины и заполнять все неровности в них и вывалы каменным материалом, тем самым повышая его защемление и сопротивление выбросу. Обеспечивая длительную замкнутость зарядной полости, забойка способствует более полному протеканию вторичных реакций в продуктах детонации и соответственно повышает энергию взрыва; это особенно важно для современных эмульсионных ВВ и крупнодисперсных ВВ типа гранулитов и граммонитов, у которых значительная доля энергии выделяется в процессе вторичных реакций.
Таким образом, заявляемый способ формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин и устройство для его осуществления в виде транспортного контейнера позволяет формировать короткую комбинированную забойку именно в верхней, самой разрушенной части скважины и запирать продукты взрыва в зарядной полости до разрушения массива. За счет этого повышается не только эффективность использования энергии взрыва на дробление пород, но и снижаются затраты на применение забойки, поскольку она занимает меньшую высоту, обеспечивая увеличенную зону регулируемого действия взрыва со всеми положительными последствиями, а также меньшие затраты на формирование самой забойки, что позволяет решить поставленную техническую задачу.
Источники информации, принятые во внимание
1. Влияние забойки на степень дробления горных пород взрывом / Г.П. Демидюк, В.Д. Росси, Н.Ф. Андрианов, В.А. Усачев // Сб. Взрывное дело №53/10. М.: Недра, 1963. - С. 96-105.
2. Яковенко А.И. Расчет скважинных зарядов в карьерах // Сб. Взрывное дело №51/8. М.: Недра, 1963. - С. 108-120.
3. Патент Российской Федерации №2462688, МПК F42D 1/08. 2012 (прототип).
4. Патент Российской Федерации №2526950, МПК F42D 1/08. 2014 (прототип).
1. Способ формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин, включающий формирование нижней засыпной части из инертных мелкодисперсных материалов над воздушным промежутком и верхней комбинированной части из закладных элементов, отличающийся тем, что на нижнюю засыпную часть высотой 1,5-2 диаметра скважины формируют слой из элементов каменного материала на высоту 0,5-1,5 диаметра скважины, для чего на нижнюю часть опускают установленный в мягкий мешок транспортный контейнер с элементами каменного материала размером 0,2-0,6 диаметра скважины, разгружают его и удаляют из скважины, после этого снова засыпают инертный мелкодисперсный материал на высоту 1-1,5 диаметра скважины, на который опять разгружают каменный материал из транспортного контейнера; процесс повторяют до полного формирования комбинированной забойки высотой не более 10 диаметров скважины.
2. Транспортный контейнер для формирования короткой комбинированной забойки взрывных скважин, отличающийся тем, что выполнен из металла или пластических масс, включает снабженное несущим шнуром верхнее кольцо размером 0,8-0,9 диаметра скважины, в котором равномерно закреплены прутки с шагом, исключающим выпадение мелких кусков каменного материала; транспортный контейнер вставлен в мягкий мешок размером на 20-30% большим диаметра скважины, снабженный ушками для крепления несущего шнура.
