Спосіб вибухової відбійки породних уступів розосереджуваними свердловинними зарядами

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для отбойки и дробления горных пород на карьерах. Известен способ взрывной отбойки породных уступов рассредоточенными сква-жинными зарядами, включающий бурение скважин, установку промежуточных детонаторов, формирование верхней и нижней частей заряда путем наполнения скважин взрывчатым веществом (ВВ), формирование инертного промежутка из насыпного забоечного материала длиной, исключающей преждевременное инициирование одной части заряда другой (верхней - нижней, нижней - верхней). Инертный промежуток имеет постоянный диаметр по всей его длине. Забойка скважины. Инициирование верхней и нижней частей заряда производится с замедлением не менее 10 мс [1]. Недостатками известного способа являются: недостаточно полное использование энергии взрыва на дробление из-за больших затрат энергии на переизмельчение в ближней зоне вокруг заряда ввиду отсутствия воздушных полостей в заряде, снижающих бризантное воздействие В В, что ухудшает качество дробления: сложность технологии осуществления замедлений между частями заряда в промышленных условиях, требующих специальных замедлителей, а также установка их в инертном промежутке; недостаточно полное время удержания взрывных газов в нижней части заряда в зарядной полости из-за слабого сопротивления насыпного инертного промежутка. Наиболее близким техническим решением, выбранном в качестве прототипа, является способ взрывной отбойки породных уступов рассредоточенными скважинными зарядами [2], включающий бурение скважин с перебуром, установку промежуточных детонаторов, формирование нижней части заряда, путем наполнения взрывчатым веществом (ВВ), формирование инертного промежутка производят в виде воздушной полости диаметром, равным диаметру скважины, длиной, определяемой из зависимости где Ιв.п. - длина воздушного промежутка, м; dскв. - диаметр скважины, м; vcp. - средняя скорость движения продуктов детонации, м/с (для пород средней крепости vCp =, что дает возможность расклинивания цилиндрического тела большего диаметра цилиндрическим телом меньшего диаметра, что способствует удержанию взрывных газов в нижней части заряда в зарядной полости. Длину надподошвенной части заряда, образующейся при формировании нижней части заряда, определяют из выражения: где І нп - длина надподошвенной части заряда, м; dскв. - диаметр скважины, м, благодаря этому в нижней части уступа создается максимальный вес заряда, необходимый для качественного дробления нижней части уступа и улучшения проработки его подошвы. Цилиндрическое тело с меньшим диаметром устанавливают с центрированием по оси скважины на цилиндрическом теле с большим диаметром, которое размещено на надподошвенной части заряда, благодаря чему появляется возможность создания расклинивающей "пробки" в максимальном приближении к поверхности нижней части заряда, что способствует поддержанию максимально возможного давления взрывных газов в нижней части заряда. Производят расклинивание нижней части инертного промежутка посредством воздействия на нее верхней частью инертного промежутка кумулятивным давлением газов, образующихся при взрыве верхней части заряда, с возможностью образования "пробки", запирающей нижнюю часть заряда в скважине с обеспечением максимального возможного сжатия В В с последующим взрыванием этой части заряда, благодаря этому, из-за низкой начальной плотности сминающегося упруго-пластичного материала, "пробка" с малым сопротивлением подвигается в направлении забоя скважины, максимально сжимая В В в нижней части заряда, которое после детонации создает повышенное начальное давление в скважине, образуя волну в массиве с увеличенной амплитудой напряжений, более интенсивно разрушающей породу, что повышает КПД взрыва на дробление, а также улучшают проработку подошвы уступа. Благодаря совокупности перечисленных выше известных и новых существенных признаков стало возможным создать в нижней наиболее трудно дробимой части уступа максимальную концентрацию ВВ как по объему, так и по плотности наполнения нижней части скважины, а также создать в нижней части уступа волну максимальной амплитуды напряжений и длительности на время, необходимое для выхода фронта разрушения на поверхность уступа и достаточное напряжение для получения заданного качества дробления и улучшения проработки подошвы уступа независимо от свойств ВВ и физико-механических характеристик породы. Из-за малой трудоемкости подготовки и простоты технологии формирования инертного промежутка в скважине и наличия достаточного количества материала, воспроизводимого в процессе производства взрывных работ, являющегося отходами самого производства, технологический процесс отбойки породных уступов рассредоточенными скважинными зарядами становится простым, производительным и надежным. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен скважин-ный заряд в продольном разрезе после его формирования в скважине; на фиг.2 - то же после детонации верхней части заряда; на фиг.3 -то же, после детонации нижней части заряда. Способ взрывной отбойки породных уступов рассредоточенными скважинными зарядами заключается в следующем. На породном уступе 1 одним из известных способов бурят скважины 2 с перебуром 3 в соответствии с проектными данными. В нижней части скважины 2 одним из известных способов формируют нижнюю часть заряда насыпным взрывчатым веществом (ВВ) с перебуром 3 и надподошвенной частью 4 заряда, длину которой определяют по формуле, с установкой в ней промежуточного детонатора 5. Заранее или одновременно с бурением скважин 2 подготавливают два сплошных цилиндрических тела 6,7 разного диаметра из сминающегося упруго-пластичного материала, например из бумаги взрывной мешкотары, древесины, газетной бумаги или картона, скрученных в тугие рулоны. Длину цилиндрических тел 6,7 принимают одинаковой, равной 4-5 диаметрам скважины 2. Диаметр одного из цилиндрических тел 6 принимают близким диаметру скважины 2 с возможностью его свободного скольжения по скважине 2. Диаметр второго цилиндрического тела 7 принимают меньшим диаметра скважины 2 на величину, равную двум толщинам критического слоя В В верхней части 8 заряда скважины 2. В скважине 2 формируют инертный промежуток из двух частей в виде сплошных цилиндрических тел б, 7. Цилиндрическое тело 6 с большим диаметром опусканием одним из известных способов устанавливают на над-подошвенную часть 4 заряда, а на нем сверху с центрированием по оси 9 скважины 2 также опусканием одним из известных способов размещают цилиндрическое тело 7 с меньшим диаметром. В верхней части скважины 2 над цилиндрическими телами б, 7 одним из известных способов формируют верхнюю часть 8 заряда насыпным взрывча-1ым веществом (В В) с образованием над ними в верхней части 8 заряда кумулятивного участка (а) с установкой в ней промежуточного детонатора 10. Свободное пространство скважины 2 над верхней частью 8 заряда этой же скважины заполняют забойкой 11. Способ осуществляется следующим образом. На породном уступе 1 одним из известных способов бурят скважины 2 с перебуром по проектной сетке с заданным диаметром и расстоянием. Перед зарядкой скважин 2 на производственных участках изготавливают сплошные цилиндрические тела б, 7 из сминающегося упруго-пластичного материала, например древесины, газетной бумаги, картона или бумаги взрывной мешкотары, являющейся отходами процесса растаривания взрывчатого вещества и подлежащих по обычной технологии сжиганию, которую скручивают в тугие рулоны и обвязывают бечевкой или тонкой проволокой. Цилиндрические тела одинаковой длины, которая равна 4-5 диаметрам скважина. Диаметр одного из цилиндрических тел принимают меньшим диаметра скважины на величину, равную двум толщинам критического слоя В В верхней части заряда. Например, для наиболее часто применяющихся скважин диаметром 250 мм, длину цилиндрического тела принимают 1-1,5 м, а диаметр, при применении в качестве ВВ граммочита 79/21, имеющего толщину критического слоя 75 мм, принимают 100 мм. Диаметр второго цилиндрического тела принимают близким диаметру скважины, с возможностью свободного скольжения по скважине, например равным (при диаметре скважины 250 мм) 220 мм. В процессе подготовки массового взрыва в скважины 2 вначале опускают промежуточные детонаторы 5 в нижнюю часть скважины и формируют нижнюю часть заряда одним из известных методов длиной І Н, которая равна длине надподошвенной части заряда (1Н п). установленной экспериментальными исследованиями и равной 24 (1Скв , где иске. ~ диаметр скважины, плюс проектная длина перебура Опер.)· Длину надподош-венной части заряда (1Н п) принимают равной 24dCKB.t так как эта величина является максимально возможной величиной надподош-венной части заряда, разрушающей уступ по подошве, так как все участки заряда, расположенные в надподошвенной части такой величины принимают активное участие в разрушении по подошве уступа. В случае, если 1нп 24 dСкв.. тогда не вся над-подошвенная часть заряда будет принимать участие в разрушении подошвы, так как не все участки заряда, расположенные в надподошвенной части такой величины будут принимать участие в разрушении по подошве уступа из-за большей отдаленности от нее. После формирования нижней части заряда длиной 1Н на поверхность ВВ надподошвенной части заряда одним из известных способов с центрированием по оси скважины размещают опусканием поочередно или вместе (скрепленные между собой цилиндрические тела) цилиндрическое тело с большим диаметром с размещением на нем цилиндрического тела с меньшим диаметром. Затем в верхнюю часть скважины опускают промежуточный детонатор 10 на глубину, превышающую длину забойки Ізаб. над кумулятивным участком а. После опускания промежуточного детонатора 10 одним из известных способов формируют верхнюю часть 8 заряда и забойку 11. Вначале инициируют детонацию верхней части 8 заряда промежуточным детонатором 10 путем детонации детонирующего шнура промежуточного детонатора 10 более короткого, чем детонирующий шнур промежуточного детонатора 5. При взрыве верхней части 8 заряда цилиндрическое тело 6, двигаясь под действием давления газов уплотняет В В нижней части заряда, а взрывом его кумулятивного участка а под действием кумулятивного давления взрывных газов (фиг.2) цилиндрическое тело 7 с меньшим диаметром сжимается, уплотняется и вгоняется в цилиндрическое тело 6, расклинивая его с одновременным распором им стенок скважины 2. При этом создается "пробка", запирающая нижнюю часть заряда. Кроме того, давлением газов при взрыве верхней части 8 заряда происходит разрушение породы верхней части уступа 1, виброс забойки 11 из скважины 2 и возбуждение детонации детонирующим шнуром промежуточного детонатора 5. После взрыва промежуточного детонатора 5 происходит взрыв в нижней части заряда (фиг.3). При этом в результате запирания газов нижней части заряда "пробкой" из элементов - цилиндрических тел 6,7- создается высокое давление, близкое к детонационному, которое удерживается более длительное время, несмотря на падение давления в верхней части скважины после разрушения породы верхней части уступа 1 и выброса забойки 11. Высокое давление и максимально возможная величина І Нп над-подошвенной части 4 нижней части заряда, определяемой из выражения: где І нп -длина надподошвеннойчасти заряда, м; dскв. - диаметр скважины, м, создает волну напряжений максимальной амплитуды и длительности, которая интенсивно разрушает породу в сторону боковой свободной поверхности нижней части уступа 1 и создает сдвиговые напряжения, превышающие предел прочности породы на сдвиг по всей линии сопротивления по подошве уступа. Что позволяет получить интенсивное дробление и улучшить проработку подошвы на уровне линии уступа, что подтверждается данными, приведенными в табл.1, 2 и обоснованием экспериментального определения оптимального варианта І нп = 24dскв. Экспериментальное определение величины подошвенного заряда. С целью определения максимальной величины надподошвенной части заряда проведено несколько серий экспериментов. В первой серии производилась отбойка модели уступа из песчано-цементного состава. Модель имела геометрические размеры, имеющие соотношения реального 15-ти метрового уступа на карьерах с масштабом 5:1, при этом высота уступа Нуст. составляла 60 см, диаметр скважины dскв. = 10 мм, угол откоса уступа 60°, длина забойки І заб. = 24 см, глубина скважины І Скв. = 72 см, длина заряда Ізар. - 48 см, длина перебура І Пер. = 12 см. В качестве ВВ использован аммонит № 6ЖВ. Забойка выполнялась из мелкого песка. Заряд взрывался микроэлектродетонатором. После взрыва определялось качество проработки подошвы уступа по завышению h над линией уступа. Затем расстояние (а) от верхней бровки уступа до скважины увеличивалось с шагом на 2 см и эксперимент повторялся. Результаты взрывов приведены в табл.1. Значение "а" в третьем эксперименте принято за максимальное значение, при котором сплошной заряд ВВ обеспечивает нормальную проработку подошвы. При этом величина линии сопротивления по подошве Л.СП.П. составила 46 см. Во второй серии экспериментов при выбранном значении а -16 см и Л.С.П.П. -46 см и всех остальных идентичных параметрах в каждом следующем опыте уменьшалась длина заряда І 3ар. с шагом 4 см и соответственно увеличивалась длина забойки 1заб. Длина надподошвенной части заряда І нп определялась как разность І 3ар. Нпер. Результаты экспериментов приведены в табл.2.. Результаты экспериментов показали, что по проработке подошвы значение длины надподошвенной части заряда Ι Ηπ равно в эксперименте (4) 24 см, а значение длины нижней части заряда 1Н = 36 см. Таким образом, эти величины можно определить по формулам: Для сравнения определим величину 1Н.Ч. по формуле (5) прототипа: а величину верхней части заряда по формуле (4) прототипа: Другие соотношения верхней и нижней частей заряда по прототипу не создадут необходимого взаимодействия частей заряда и эффект проработки нижней части уступа будет слабым. В то же время величина верхней части заряда 13 см намного меньше предельной, нижней, полученной в экспериментах, и равной 36 см. Возможность реализовать предельную величину подошвенного заряда в предлагаемом способе является его неоспоримым преимуществом перед прототипом. Определение длины цилиндров из сминающегося материала проводилось в третьей серии экспериментов в бомбах Грауцтля. Эффективность действия взрыва в нижней части заряда определялась по величине диаметра полости, образованной взрывом заряда в свинцовой бомбе. Общая эффективность взрыва заряда определялась по объему полости, образованной взрывом в полости. Результаты экепериментов приведены в табл.3. По результатам данных табл.3 оптимальные значения длины цилиндров, при которых диаметр полости в нижней (подошвенной) части скважины и общий объем полости наибольшие, равны 30-40 мм. что составляет примерно 4-6 диаметров скважины, что и было принято как оптимальные значения диаметров цилиндров из сминающегося материала при изготовлении промышленных образцов. Промышленные испытания способа проводились на карьерах СевГОКа, ИнГО-Ка. НКГОКа, ЮГОКа и Полтавского ГОКа в сланцах, малорудных и рудных кварцитах. Πример. В промышленных условиях при взрывании породного блока на карьере ИнГОКа, в силу того, что при бескапсюльном взрывании скважинных зарядов, принятых с целью безопасности ведения взрывных работ на карьерах Кривбасса и ПГОКа, результаты взрывания по заявляемому способу сравнивались с известным способом взрывания зарядами сплошной конструкции. Формирование зарядов по заявляемому способу производилось следующим образом. После установки в скважины диаметром 0,25 м промежуточных детонаторов, в скважины насыпью формировалась нижняя часть заряда длиной, определяемой по формуле: І н= І нп + І пер.. где І нп = 24dскв. При диаметре скважины 0,25 м и ! пер. " 2,5 м, длина нижней части заряда равна 1Н = 24x0,25+ 2,5 = 8,5 м. Длину цилиндров принимаем равной 4-6 диаметрам скважины, то есть 1,0-1,5 м. Цилиндры изготавливались скручиванием из отработанной древесины, газетной бумаги, картона или бумажной мешкотары. Верхний цилиндр с меньшим диаметром изготавливался диаметром 100 мм, нижний цилиндр с большим диаметром - 220 мм. С целью центрирования по оси скважины верхний и нижний цилиндры перед опусканием в скважину соединялись деревянным стержнем длиной 0,5 м и диаметром 15 мм. После опускания цилиндров на нижнюю часть заряда устанавливался промежуточный детомятор в верхнюю часть заряда и насыпью формировалась верхняя часть .заряда, затем скважины засыпались породной забойкой. Последовательное инициирование обеспечивается тем, что шнур промежуточ ного детонатора нижней части заряда имеет длину большую, чем шнур промежуточного детонатора верхней части заряда, которая в силу этого инициируется первой. После взрыва на поверхности взорванной массы были найдены сильно деформированные бумажные цилиндры, разрез которых показал, что верхний цилиндр меньшего диаметра в виде плотного стержня силой взрыва был вбит в нижний цилиндр большего диаметра. Параметры зарядов и результаты измерений качества дробления и проработки подошвы уступов на экспериментальных и контрольных участках приведены в табл.4. Как видно, в результате применения заявляемого способа отбойки проработка подошвы значительно улучшилась, при том. что заряд уменьшен на 70-100 кг, то есть на 20-25% при снижении диаметра среднего куска на 10%. Предложенный способ был применен при взрывной отбойке на большинстве карьеров Кривбасса и ПГОКа. За второе полугодие 1992 года этим способом взорвано более 10 млн.м3 горной массы, снижен расход ВВ на 20% или на 1500 тонн ВВ, на столько же снижен выброс вредных газов в атмосферу. Результаты сравнительных испытаний способа на карьере ИнГОКа (диаметр скважины 250 мм) приведены в табл.4. Использование способа взрывной отбойки породных уступов рассредоточенными скважинными зарядами позволяет повысить качество дробления и улучшить проработку подошвы уступа независимо от свойств ВВ и физико-механических характеристик породы за счет максимально возможной в промышленных условиях концентрации ВВ в нижней части заряда и удержания взрывных газов при максимально возможном их давлении в нижней части заряда в зарядной полости на время, необходимое для выхода фронта разрушения на свободную поверхность уступа, способствующим повышению КПД взрыва. Это позволяет создать в разрушаемом массиве поле напряжений амплитуды и длительности, в 1,5-2 раза превышающее амплитуду и длительность поля напряжений, создаваемые известными технологиями взрывной отбойки породных уступов рассредоточенными скважинными зарядами. Технология отбойки по изобретению проста в подготовке и осуществлении штатными взрывчатыми материалами, Кроме того применяются отходы производятся, которые в обычных условиях, подложат обязательному сжиганию, что отрицательно влияло на окружающую атмосферу. В заявляемом изобретении во время отгрузки горной массы отходы производства в виде отработанной, но не сгоревшей мешкотары, попадают на отвалы или в измельченном виде в хвостохранилище, где разлагаются естественным путем. Применение изобретения позволяет снизить уровень порогов на подошве на 0,5-1 м, уменьшить диаметр среднего куска на 20-30% при унижении удельных затрат ЕВ на 15-20%, что подтверждается широкими промышленными испытаниями, проводимыми на карьерах Кривбасса и Π ГОКа в объемах более 10 млн.м3 взорванной горной массы.