УДК
622.235
О ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИННЫХ
ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ.
С.А. Горинов 
, П.А.Брагин
, А. В. Польский, И.А. Пустовалов
- ООО «Глобал Майнинг Эксплозив-Раша» (г.
Москва, Россия);
- ТОО «КарГСП»
(г.Караганда, Республика Казахстан);
- ТОО «ЭСЦВМ»
(г.Алматы, Республика Казахстан
Аннотация.
Приведен критический обзор технических
решений по предложенным конструкциям скважинных зарядов для отбойки горных
пород, вытекающих из патента Республики Казахстан № 24458 [1] .
Ключевые
слова: скважинный заряд ВВ,
конструкция скважинного заряда, скорость детонации ВВ.
Известно, что конструкция скважинного
заряда является важным методом управления действием взрыва. При этом, под
конструкцией заряда понимается «совокупность таких геометрических и
технологических параметров, как форма заряда и зарядной камеры, местоположение
точки инициирования, различные комбинации применяемых типов ВВ, длина заряда, а
также соотношение активной (заполненной ВВ) и нерабочей (заполненной забойкой)
частей скважины» ([2], стр.145).
Эффективность применения той или иной
конструкции заряда определяется горногеологическими условиями, технологическими
требованиями к качеству разрушения горных пород, техническими возможностями
горного предприятия и экономической целесообразностью. На прилагаемом к
настоящей статье рис. 1, представлена копия рис.51, приведенного на стр.146
работы [2], показывающая многообразие способов формирования колонок скважинных
зарядов. Данное многообразие обусловлено многообразием физико-механических
свойств разрушаемых горных, геологическими особенностями и горнотехническими
факторами.
Рис. 1. Основные конструкции
скважинных зарядов, применяемых на открытых горных работах (копия рис.51,
стр.146 работы [2]):
1 - заряд ВВ; 2 - забойка; 3 -
воздушный промежуток; W - ЛНС; Wп - ЛСПП; hпер - высота перебура.
Применение одного ВВ для формирования
скважинного заряда не всегда обеспечивает необходимые требования к разрушению горных
пород.
При использовании для формирования колонки
скважинного заряда из разных типов ВВ, как правило, исходят из принципа, что «в
устье скважины должно размещаться ВВ с малой, а в нижней части скважины – с
высокой удельной энергией» ([2] , стр.147). Это связано с необходимостью
преодоления сопротивления по подошве уступа и желанием увеличить высоту
заряжаемой части скважины (для снижения выхода негабарита) без увеличения размеров
зоны опасной по разлету камней и ударной воздушной волны.
Следует отметить, что использование разных
типов ВВ при формировании колонки скважинных зарядов может быть связано не
только с различным сопротивлением по высоте уступа, но и с наличием воды в
скважинах. В случае, если колонка заряда превышает уровень воды в скважине, формирование
колонки заряда только из водоустойчивого ВВ может быть экономически
нецелесообразно в виду высокой стоимости этого ВВ по сравнению с
неводоустойчивым. В работе [2, стр.147] указано, что в данном случае одним из
вариантов снижения стоимости взрывных работ является применение комбинированных
скважинных зарядов из водоустойчивого ВВ ниже уровня воды в скважине, а
неводоустойчивого ВВ – выше указанного уровня.
Особо следует выделить следующие случаи:
- в разрушаемом слое горных пород
находится пласт (пласты) породы, имеющий (имеющие) значительную по сравнению с
другими породами слоя прочность. В этом случае наиболее мощное ВВ размещается
на участке пересечения данного слоя (слоев) скважиной, менее мощное ВВ
размещается в остальных частях скважинного заряда [3] ;
- если для отбойки горных пород используются,
помимо общераспространенных промышленных ВВ, мощные и относительно дешевые ВВ
на основе утилизируемых боеприпасов. Тогда, для снижения выхода негабарита из
верхней части отбиваемого слоя, небольшой заряд из мощного ВВ (приповерхностный
оптимизатор) размещается в самом верху скважинного заряда, а для увеличения
размеров сетки скважин - заряд указанного мощного ВВ размещается в области
перебура скважины [4, 5].
Принцип размещения мощного водоустойчивого
ВВ в нижней части скважинного заряда, а более слабого – в верхней успешно
реализуется при добыче горных пород предприятиями разных стран, например, России
[12, 13], Узбекистана [6], Украины [7, 11].
Рассмотрим возможность использования
технических решений патента [1] в
практической деятельности горнодобывающих предприятий.
Для обеспечения равномерного дробления
горных пород в патенте [1] предлагается формировать скважинные заряды «…из
нескольких пар групп (от 2 до 4) слоев разнородных по типу взрывчатого
вещества, при этом длина слоев прямо пропорциональна скорости детонации слоя
взрывчатого вещества».
На рис. 2 представлена копия рисунка из [1],
показывающая отличительные особенности формирования скважинного заряда в
соответствии с техническими предложениями патента.
Согласно [1] «…целесообразно заряды в
скважинах выполнять с противоположным расположением слоев взрывчатого вещества
в каждой смежной группе». При этом «…в смежных скважинах 12, 13, 14 и т.д.,
напротив расположенного слоя, как по фронту, так и вдоль, располагаются заряды,
однотипные в каждой из групп, но противоположные по составу, а, следовательно,
и по детонирующему импульсу взрывчатого вещества» [1].
Рассмотрим подробно последнее утверждение.
Допустим, что имеется
цилиндрический заряд радиуса 
. Введем обозначения: 
, 
, - плотность и скорость детонации ВВ, соответственно; 
- длина заряда.
Введем в зарядах систему координат 
так, что начало
системы начинается с левого конца заряда, а ось 
совпадает с осью
заряда и направлена вправо.
В этом случае [8, стр.458] полный боковой
импульс 
при взрыве цилиндрического заряда ВВ определяется
по формуле ([8, стр.458])
, (1)
где 
(
- текущая координата сечения заряда); 
- удельный импульс по
боковой поверхности заряда в зависимости от 
; 
- удельный импульс на торцевой поверхности заряда; 
- безразмерная функция, зависящая от 
и условий
инициирования заряда ([8], стр.454, 457).
Рассмотрим
два цилиндрических заряда одинакового радиуса 
, но имеющих разную длину и состоящие из разного вида ВВ.
Введем следующие обозначения:
, 
, 
- длина, скорость и
плотность первого заряда, соответственно; 
,
, 
- длина, скорость и плотность второго заряда, соответственно.
Рис.
2. Копия рисунка из патента №24458 РК. 1 – заряд; 2 – скважина; 3 - массив; 4 –
слой ВВ с большой скоростью детонации; 5 – слой ВВ со средней скоростью
детонации; 6 – слой ВВ с меньшей скоростью детонации; 7 – группа слоев ВВ; 8 -
забойка; 9 - детонатор; 10 – детонирующий шнур (ДШ); 11 – средства взрывания
ДШ; 12, 13, 14 – смежные скважины.
Исходя из (1),
получаем, что при одинаковых условиях инициирования рассматриваемых зарядов- 
, (2)
где 
, 
- полные боковые
импульсы первого и второго заряда, соответственно.
Согласно патенту [1] «длина
слоев прямо пропорциональна скорости детонации слоя взрывчатого вещества».
Следовательно,
необходимо положить, что 
. (3)
На основании
(2), (3), для условий, изложенных в [1], имеем :
. (4)
Таким образом, соотношение полных импульсов по боковым поверхностям
различных слоев ВВ определяется не только скоростями детонации ВВ в этих слоях,
но и плотностью ВВ, из которых данные слои состоят.
Чем больше разница между 
и 
, тем более значительные сдвиговые напряжения будут возникать
в массиве между смежными зарядами. Поэтому эффективность рассматриваемого
способа формирования заряда можно характеризовать величиной 
относительной
разности боковых импульсов между смежными слоями ВВ - 
. (5)
Чем выше значение 
, тем эффективнее предложенный метод формирования скважинного
заряда.
Рассмотрим пример: первое ВВ
имеет плотность – 1300 кг/м3 и скорость детонации – 4800 м/с; второе ВВ имеет
плотность – 1100 кг/м3 и скорость детонации – 5200 м/с.
В этом случае - 
.
Таким образом, несмотря на
неравенство скоростей детонации в рассмотренном примере, при формировании
колонки скважинного заряда из указанных ВВ в соответствии с рекомендациями
патента [1], в массиве между скважинными зарядами не будут возникать
дополнительные сдвиговые напряжения, создание которых и определяет практическую
полезность патента.
Однако, если вместо
предлагаемого в патенте условия 
(при 
также не будет равно 
) выбрать в рассматриваемом примере другое соотношение длин
слоев, допустим 
, то на основании (2), (5), получим 
. Отличие 
от 0, говорит о
возникновении желаемых сдвиговых напряжений.
Следовательно, использовать
предложенную в патенте [1] формулу для определения соотношения длин слоев ВВ не
рекомендуется в виду ее некорректности.
Рассмотрим
значимость технических решений, предложенных в патенте [1], в практической
деятельности горных предприятий, разрабатывающих, как обводненные, так и
необводненные горные массивы, с точки зрения технической возможности их
осуществления.
Возможны
следующие варианты:
1.
При массовой взрывной
отбойке горных пород используются одно водоустойчивое ВВ и одно
неводоустойчивые.
2.
При массовой взрывной
отбойке горных пород используются одно водоустойчивое ВВ и несколько
неводоустойчивых.
3.
При массовой взрывной
отбойке горных пород используются несколько водоустойчивых ВВ и одно неводоустойчивое.
4.
При массовой взрывной
отбойке горных пород используются несколько водоустойчивых ВВ и несколько
неводоустойчивых.
В
первом случае, при формировании скважинного заряда в обводненной скважине в
соответствии с предложениями патента [1] из имеющихся ВВ, с неизбежностью сталкиваемся
с необходимостью размещения в целом ряде взрываемых при массовом взрыве скважинных
зарядов неводоустойчивого ВВ в нижней части скважин (см. рис.2).
Данная
конструкция скважинного заряда недопустима, т.к. в обводненных скважинах
неводоустойчивое ВВ (без принятия особых мер) потеряет детонационную
способность, что недопустимо в виду возможности возникновения аварийных
ситуаций, ухудшению дробления горной массы и непроработке подошвы уступа. Однако
надежных технологий защиты данного ВВ от воды до настоящего времени нет, что и
послужило поводом для создания гелевых [9] и эмульсионных ВВ [10].
В
первом случае, при формировании скважинного заряда в необводненной скважине соответствии
с предложениями патента [1] из имеющихся ВВ, будет увеличиваться стоимость
взрывных работ из-за использования при формировании скважинных зарядов дорогого
водоустойчивого ВВ.
Во
втором случае, имеется возможность создания сложного слоистого
(комбинированного) скважинного заряда только в необводненных скважинах. Однако
непосредственное использование патента [1] невозможно в виду ошибочности
определения толщины слоев ВВ.
В
третьем случае, имеется возможность создания сложного слоистого
(комбинированного) скважинного заряда, как в необводненных, так и обводненных
скважинах. Однако, как уже сказано выше, непосредственное использование технического
решения описываемого в патенте [1] невозможно в виду ошибочности определения
толщины слоев ВВ.
Рассмотрим
опыт роизводства взрывных работ в ТОО «КарГСП». На данном предприятии при
ведении массовых взрывов , применяется только два вида ВВ: одно водонеустойчивое
ВВ - Гранулит АС-ДТ и одно водоустойчивое ВВ – Риофлекс. Гранулит АС-ДТ
используется в сухих, а Риофлекс – в обводненных скважинах. Стоимость Риофлекса
существенно выше Гранулита АС-ДТ.
Это
первый случай из приведенной выше классификации предприятий по видам и
количеству видов применяемых ВВ.
Согласно
указанной классификации, применения патента [1] в условиях ТОО «КарГСП»
невозможно.
Действительно,
при реализации патента [1] в условиях ТОО «КарГСП» будет увеличиваться
стоимость взрывных работ при отбойке необводненных горных пород (из-за
использования при формировании скважинных зарядов дорогого Риофлекса), а при
отбойке обводненных горных пород возникнет ситуация, что в некоторых скважинах
в нижней части заряда, где гарантировано будет вода, нужно будет размещать неводоустойчивый
Гранулит АС-ДТ, надежной защиты которого от воды не существует. Данная
конструкция скважинного заряда может привести, как уже сказано выше, к
возникновению аварийных ситуаций, ухудшению дробления горной массы и
непроработке подошвы уступа.
Анализ показывает, что в современных условиях на ТОО «КарГСП» рационально
применять следующие конструкции скважинных зарядов:
- при взрывании сухих скважин
– сплошные или рассредоточенные заряды из Гранулита АС-ДТ;
- при взрывании сильно
обводненных скважин – сплошные или рассредоточенные заряды из Риофлекса;
- при взрывании частично
обводненных скважин – комбинированные заряды с Риофлексом до уровня воды в
скважине, а Гранулитом АС-ДТ – выше уровня воды в скважине. При этом каждый
участок заряда может быть, как сплошным, так и рассредоточенным.
Под рассредоточением заряда понимается создание в колонке заряда
воздушных или заполненных инертным материалом промежутков. Данные конструкции скважинных зарядов давно известны
(см. рис. 1, а также [2] и [7]) и не могут быть чьей-либо интеллектуальной
собственностью.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иноятов Э.А., Тлеугалиев М.Н., Кребаева
Ш.Д. Способ формирования скважинного заряда взрывчатого вещества. Патент РК
№24458. Приоритет Республики Казахстан от 04.03.2009г.
2.Основы теории и методы взрывного
дробления горных пород // Ефремов Э.И., Кравцов В.С., Мячина Н.И. и др. Под
ред. В.М. Комира. – Киев: Наук. думка.- 224с.
3. Ким С.И., Гирич И.Б. Разрушение
сложноструктурных массивов из разнопрочных пород взрывом комбинированных
зарядов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический
журнал), 2012, №8, с.38-43.
4. Дорошенко С.И., Белин В.А. и др. Скважинный
заряд взрывчатого вещества. Патент РФ на полезную модель № 116220 БИМП №14,
2012.
5.
Дорошенко С.И. Развитие технологии разрушения горных пород гелевыми ВВ,
изготовленными на основе утилизируемых боеприпасов // Автореф.дис. на соиск.
степ. канд.техн.наук, М., 2014.- 23с.
6. Коломников С.С. Управление энергией
скважинных зарядов ВВ в условиях разработки разнопрочных горных массивов при
циклично-поточной технологии // Горный информационно-аналитический бюллетень
(научно-технический журнал), 2007, №12, с.81-93.
7. Формирование комбинированных скважинных
зарядов ВВ при взрывных работах на дневной поверхности // Шиман Л.Н., Устименко
Е.Б., Кириченко А.Л., Подкаменная Л.И. - Вiсник КПДУ им. Острогадського. Випуск 6/2008 (53),
с.114-117.
8. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И.
Физика взрыва. М.: Физматлит, 1959.- 800с.
9. Кук М.А. Наука о промышленных ВВ. М.:
Недра, 1980. 453 с.
10. Колганов Е.В., Соснин В.А.
Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. (Составы и свойства). Дзержинск
Нижегородской области, изд. ГосНИИ «Кристалл», 2009. 592с.
11. Эффективный способ применения тротила
и селитры в условиях Криворожского бассейна // И.Т. Колесниченко, Ю.С. Мец. -
Сб. Взрывное дело №60/17. - М., Недра, 1966.
12. Из опыта применения Игданита на
железорудном карьере. // Г.П. Подкоша, А.А. Терещенко, Сб. Взрывное дело
№54/11, М., Недра, 1964.
13. Из опыта применения Игданита в
Красноярском крае. // И.З. Драговейко, Ю.С. Колодочкин. Сб. Взрывное дело
№54/11, М., Недра, 1964.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Горинов Сергей Александрович, к.т.н., главный научный консультант ООО «Глобал Майнинг
Эксплозив – Раша», г. Москва, Россия.
E-Mail: Akaz2006@yandex.ru
Брагин Павел Александрович, главный специалист по БВР ООО «Глобал Майнинг
Эксплозив – Раша», г. Москва, Россия.
E-Mail: pavelbragin83@mail.ru
Польский Александр Викторович, директор ТОО «КарГСП», г.Караганда, Республика
Казахстан
E-Mail: polskyi80@mail.ru
Пустовалов Игорь Анатольевич, директор ТОО «ЭСЦВМ», г. Алматы, Республика Казахстан
E-Mail: igpkz@mail.ru