Спосіб висаджування тріщинуватих та шаруватих порід і патронований заряд для його реалізації

1. Спосіб висаджування тріщинуватих та шаруватих порід, що вміщує буріння свердловин з перебуром, заповнення їх робочою вибуховою речовиною безпосередньо в свердловину або в рукав, розміщення патронованих зарядів вибухової речовини рухомої консистенції, швидкість детонації, якої більша від швидкості детонації робочої вибухової речовини, розміщення засобів ініціювання патронованих зарядів та їх підривання, який відрізняється тим, що патроновані заряди розташовують на одній і більше ділянках свердловини безперервно за лініями вздовж свердловини так, що складова швидкості детонації патронованих зарядів вздовж осі свердловини перевищує швидкість детонації робочої вибухової речовини, а довжина кожної ділянки перевищує середню відстань між тріщинами, які перерізають свердловину. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що довжина ділянки дорівнює, або більша від потужності, шару породи, який пересікає свердловину. 3. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що довжина ділянки дорівнює довжині частини свердловини, заповненої робочою вибуховою речовиною. 4. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що ділянку розміщують у перебурі. 5. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що патроновані заряди розміщують у рукаві. 6. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що патроновані заряди розміщують поза рукавом. 7. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що патроновані заряди розміщують у рукаві і поза рукавом. 8. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що патроновані заряди розміщують за вигнутими лініями. 9. Спосіб по пп. 1 та 8, який відрізняється тим, що патроновані заряди розміщують за гвинтовими лініями. A (54) СПОСІБ ВИСАДЖУВАННЯ ТРІЩИНУВАТИХ ТА ШАРУВАТИХ ПОРІД І ПАТРОНОВАНИЙ ЗАРЯД ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ 35947 Винахід відноситься до гірництва, а саме до буро-підривних робіт, і може бути використаний при відкритій розробці скельних тріщинуватих та шаруватих порід, у тому числі при видобутку залізняку та будівельних матеріалів. Відомий спосіб руйнування тріщинуватих порід, при якому в свердловині, в області перерізу її тріщиною, розміщується інертний матеріал [1]. Це зменшує просочення продуктів детонації вибухових речовин (ВР) у тріщині і сприяє підвищенню їх тиску в свердловині. Однак розміщення інертного матеріалу в заряді в місці пересікання його тріщиною є вельми проблематичним і може бути реально здійснене лише в крупно-блокових породах за умов стійкого простягання тріщини. Крім того, розміщення в свердловині інертного матеріалу призводить до зменшення маси робочої вибухової речовини, розміщуваної в свердловині, а, отже, до звуження сітки розташування свердловин на ділянці висаджуваних порід. Відомі також способи руйнування порід, при яких у свердловині розташовують подовжений заряд ВР у вигляді шнура, швидкість детонації якого більша від швидкості детонації робочого ВР [1, 2, 3]. Відомий також спосіб ініціювання подовжених зарядів ВР у кількох точках [4]. Зі збільшенням кількості точок ініціювання до трьох-чотирьох зменшується час детонації заряду і, як наслідок, на 25-40% підвищується тиск і зменшується час його наростання в хвилі напружень. При використанні цього способу в тріщинуватих породах, тобто за наявності тріщин між точками ініціювання, зберігаються умови для передчасного проникнення продуктів детонації в тріщини, внаслідок чого знижується тиск у свердловині і зменшується ступінь використання енергії вибуху. Відомий спосіб руйнування порід, у тому числі й тріщинуватих, вибраний як прототип, що вміщує буріння свердловин з перебуром, заповнення їх робочою вибуховою речовиною безпосередньо або в рукав, розміщення патронованих зарядів ВР рухомої консистенції, швидкість детонації якої більша від швидкості детонації робочого ВР, розміщення засобів ініціювання патронованих зарядів і їх висадження [5]. У цьому способі не враховується негативний вплив тріщин і шарів порід зниженої міцності, що пересікають свердловину, на процес формування тиску продуктів детонації у свердловині. Крім того, у всіх згаданих способах, в тому числі і в прототипі, не визначені умови розташування ініціюючих зарядів у свердловинах у тріщинуватих породах. Тому описані способи не забезпечують ефективного зниження втрат енергії вибуху за рахунок зменшення передчасного проникнення продуктів детонації робочого ВР у тріщини. Відомий колонковий вибуховий пристрій у вигляді твердої циліндричної оболонки (труби), заповненої високо-бризантною ВР із швидкістю детонації більшою, ніж у робочого ВР. Довжина його більша 30 діаметрів заряду (6). Такий пристрій відрізняється високою вартістю і незручний при розміщенні в свердловині, особливо з використанням зарядів, що розміщуються в оболонках. Крім того, жорстка конструкція колонкового заряду при заряджанні з використанням оболонки може призводити до розриву рукава. Відомі заряди у вигляді шнура для забезпечення лінійного ініціювання свердловинних зарядів [1, 2, 3]. При цьому довжина цих зарядів, визначена розрахунковим шляхом, становить не менше 23 діаметрів свердловини або 30 діаметрів самого заряду. Відомі заряди, виготовлені з вибухової речовини Гелекс-650, які випускаються Павлоградським хімічним заводом і мають різну довжину, в тому числі й більшу тридцяти діаметрів заряду (7). Найбільш близьким технічним рішенням є патронований заряд ВР на основі нітрату амонію в еластичній оболонці [5]. Такі заряди технологічні, мають порівняно низьку вартість. Однак внаслідок низької міцності оболонок при їх довжині, більшій 30 діаметрів заряду, надійність цих зарядів невисока. Це призводить до погіршення якості вибуху і робить неможливим застосування таких зарядів при реалізації пропонованого способу руйнування тріщинуватих і шаруватих порід. Завданням винаходу є підвищення ефективності руйнування порід за рахунок повнішого використання енергії вибуху ВР свердловинного заряду, а також удосконалення патронованого заряду для забезпечення підриву свердловинного заряду із швидкістю, що перевищує швидкість детонації ВР свердловинного заряду. Поставлена задача вирішується тим, що в способі, що вміщує буріння свердловин з перебуром, заповнення їх робочою вибуховою речовиною безпосередньо в свердловину або в рукав, розміщення патронованих зарядів вибухової речовини рухомої консистенції, швидкість детонації якої більша від швидкості детонації робочої вибухової речовини, розміщення засобів ініціювання патронованих зарядів та їх підривання, патроновані заряди розташовують на одній і більше ділянках свердловини безперервно за лініями вздовж свердловини так, що складова швидкості детонації патронованих зарядів вздовж осі свердловини перевищує швидкість детонації робочої вибухової речовини, а довжина кожної ділянки перевищує середню відстань між тріщинами, які перерізають свердловину. При цьому довжина ділянки дорівнює або більша від потужності шару породи, який пересікає свердловину. При цьому довжина ділянки дорівнює довжині частини свердловини, заповненої робочою вибуховою речовиною. При цьому ділянку розміщують у перебурі. При цьому патроновані заряди розміщують у рукаві. При цьому патроновані заряди розміщують поза рукавом. При цьому патроновані заряди розміщують у рукаві і поза рукавом. 2 35947 При цьому патроновані заряди розміщують за вигнутими лініями. При цьому патроновані заряди розміщують за гвинтовими лініями. При цьому патроновані заряди розміщують за зигзагоподібними лініями. При цьому патроновані заряди розміщують за лініями, що вигнуті незакономірно. При цьому на одній ділянці свердловини розміщують один патронований заряд. При цьому на одній ділянці свердловини розміщують більше одного патронованого заряду. При цьому патроновані заряди розміщують за однією лінією. При цьому патроновані заряди розміщують за кількома лініями. Крім того, поставлена задача вирішується тим, що питома поздовжня міцність оболонки або сумарна питома поздовжня міцність оболонок, якщо їх більше однієї, патронованого заряду вибухових речовин, в тому числі й на основі нітрату амонію, розміщених в одній або більше еластичних оболонках, довжина якого дорівнює або перевищує 30 його еквівалентних діаметрів, дорівнює або перевищує величину σ п = 0,5ρ ВР l п ловинних зарядів, зокрема інтенсивність дроблення порід. Наведені криві одержані на основі розрахунків, що викладаються нижче. Тріщини, що пересікають свердловину, розгерметизують зарядну порожнину (свердловину), знижують величину первинного тиску, який установлюється вслід за детонаційною хвилею. При цьому тріщини можна розглядати як порожнину, додаткову до порожнини свердловини. Об'єм цих тріщин відповідає об'єму (DVт), який встигає заповнитися продуктами детонації (ПД) на момент аналізу тиску в свердловині. Оцінка впливу тріщин на величину тиску, що установлюється в свердловині, може бути здійснена відповідно до рівняння політропи [1] PVn=const, (1) де Р – тиск продуктів детонації ВР; V – об'єм продуктів детонації ВР; n – показник політропи розширення продуктів детонації ВР. З цього рівняння випливає: ö PТ æ Vc = ç ç V + ΔV ÷ ÷ Pс è c Т ø n , (2) де РТ – тиск у свердловині з урахуванням проникнення продуктів детонації в тріщини; Рс – тиск у свердловині без урахування проникнення продуктів детонації в тріщини; Vc – об'єм свердловини; VТ – об'єм тріщин. У межах аналізованої ділянки свердловини довжиною х об'єм свердловини дорівнює [Н/м], де sп – гранична питома міцність оболонки, Н/м; rВР – середня щільність вибухових речовин у патронованому заряді, кг/м3; òп – довжина патронованого заряду, м; еквівалентний діаметр заряду – діаметр круга, який по площі дорівнює площі поперечного перерізу патронованого заряду. При цьому патронований заряд виконано у вигляді моно-патрона. При цьому патронований заряд виконано у вигляді з'єднаних послідовно окремих патронів. При цьому окремі патрони розміщені в еластичній оболонці. При цьому патронований заряд вміщує дві вибухові речовини з різними швидкостями детонації, причому речовина з більшою швидкістю детонації розміщена в оболонці в речовині з меншою швидкістю детонації вздовж осі оболонки. Винахід пояснюється графічними матеріалами, де на фіг. 1 наведено схему розміщення в свердловині патронованого заряду, де 1 – патронований заряд, 2 – свердловина, 3 – оболонка заряду. На фіг. 2 наведена одна з схем виконання патронованого заряду, де 1 – оболонка патронованого заряду; 2 – окремі патрони, з'єднані послідовно; 3 – заряд вибухової речовини в неперервній оболонці. На фіг. З наведено залежності між відносним тиском у свердловині і відносною швидкістю детонації патронованого заряду. Криві 1 і 2 відповідають дрібно-блоковим породам для зарядів довжиною х, яка дорівнює т і 5т відповідно. Крива 3 відповідає крупно-блоковим породам для заряду довжиною х, яка дорівнює т. Крива 4 відповідає винятково крупно-блоковим породам. Ці залежності показують, що застосування рухомої консистенції патронованого заряду (ініціатора), з швидкістю детонації, більшою від швидкості детонації робочої ВР, зменшує втрати тиску в свердловині. Це забезпечує підвищення ефективності вибуху сверд Vc = prc2 x , (3) де rc – радіус свердловини, м; p – постійна величина. Об'єм тріщин визначається по формулі [ ] DVТ = ph (rc + DrТ ) - rc2 = phDrТ (2rc + Dr ) 2 , (4) де h – сумарна середня висота тріщин, що пересікають свердловину на ділянці, м; Drт – еквівалентний радіус додаткової до свердловини порожнини, утвореної тріщинами, м. Як швидкість поширення продуктів детонації приймемо значення їх масової швидкості в детонаційній хвилі: U= DВВ , n +1 (5) де DВР – швидкість детонації ВР, м/с, n – показник політропи розширення продуктів детонації ВР. Для реальних ВР значення n змінюються в діапазоні 2...3. Як глибину проникнення продуктів детонації в тріщини приймемо її середнє значення на ділянці х. Тоді при ініціюванні заряду з швидкістю, більшою від швидкості детонації робочої ВР ініціатором (патронованим зарядом), розташованим вздовж осі свердловини DrТ = U x 2 Di , (6) де Di – швидкість детонації ініціатора вздовж осі свердловини, м/с, U – масова швидкість ПД в детонаційній хвилі. Сумарна середня висота тріщин, що пересіка 3 35947 ють свердловину на ділянці довжиною х, дорівнює h =d x , m ці, оскільки такий заряд еквівалентний суцільному (без зазору) заряду з меншою щільністю заряджання і меншими швидкісними характеристиками процесів у радіальному напрямку. Мінімальне значення довжини ділянки х, на якій потрібно розташовувати ініціатор, швидкість детонації якого вздовж осі заряду перевищує швидкість детонації ВР, на практиці дорівнює середній відстані між тріщинами вздовж осі свердловини. При меншій величині ділянки ініціатор може розташовуватися між тріщинами, не перекриваючи їх. При цьому ефективність способу істотно знижується. Для визначення питомої поздовжньої міцності оболонки скористаємося таким розрахунком. Відповідно до теорії опору матеріалів [8] міцність тонкостінної труби при вигині залежить від її розмірів і описується рівнянням (7) де d – середнє розкриття тріщин, м; т – середня відстань між тріщинами, які пересікають свердловину, м. З (2) з використанням (3) - (6) після підстановки дістанемо ö æ ÷ ç ÷ PТ ç 1 ÷, =ç (8) Pc ç ÷ dx dx 2 + ÷ ç1+ 2 ç 4mr c k D 64mr c k 2 ÷ D ø è = де k D Di D ВВ . d m = , b Позначивши a= x rc 3 dн = з (7), отримаємо формулу для визначення впливу тріщин на величину тиску в свердловині: é ê PТ ê = Рс ê ab ê1 + ê 4k D ë ù ú 1 ú æ b öú ç1 + ç 16k ÷ ú ÷ è D øú û (9) Розрахунки здійснені з урахуванням того, що реалізація способу можлива при розташуванні патронованого заряду (ініціатора), швидкість детонації якого вздовж осі свердловини більше швидкості детонації робочого ВР, безперервно на ділянці довжиною х>т. При цьому значення d можуть змінюватися в межах (0,5...5,0) 10-3 м, а значення т – в діапазоні (0,2...2,0) м.) Розрахунок здійснено у вказаних діапазонах значень показників: для дрібно-блокових порід при а=0,025, b=2 і 10; для крупно-блокових порід при а=0,00055, b=20. У наведеному аналізі для спрощення не враховано часовий фактор процесу вирівнювання тиску в свердловині при поширенні продуктів детонації в додаткову порожнину - тріщину. Тому описані залежності характерні з моменту проходження ділянки х хвилею розвантаження, що поширюється по продуктах детонації від тріщини з швидкістю c» 3 D ВВ . 4 é æd p [s ]ê1 - ç В ç ê è dН ë ö ÷ ÷ ø 4 ù ú ú û , (10) де dН, dВ – відповідно зовнішній і внутрішній діаметр оболонки; М – обертальний момент; [s] – міцність матеріалу оболонки на розтягання. При використанні вибухової речовини патронованого заряду, яка не пов'язана механічно з оболонкою і не впливає на поздовжні і поперечні напруження в ній, але підтримує форму, близьку до форми круга в перерізі, скористаємося рівнянням (1) для визначення необхідної міцності оболонки патронованого заряду, розміщеного в сухій свердловині. При цьому покладаємо, що напруження в оболонці внизу свердловини під дією ваги патронованого заряду найбільші і можуть бути прийняті для установлення критерію міцності оболонки (при достатній довжині заряду). Невраховані особливості, а саме, властивості ВР, міра заповнення оболонки, специфіка розташування заряду в свердловині, визначаються експериментально і вводяться у розрахункову схему у вигляді коефіцієнта kу, що змінюється в установленому діапазоні. У відповідності зі схемою 3 . 32 M M = PВР k c d c PВР 2 dн = r ВРp lП g , 4 (11) де rВР – щільність ВР, кг/м3; kс=0,80...0,90 – коефіцієнт, що враховує розміри ініціатора і свердловини; dс – діаметр свердловини, м; g – прискорення вільного падіння, м/с2; lп=kсdн – довжина патрона, м; dв=dн-D; D – товщина оболонки, м. Тоді з (9) отримаємо Однак цей фактор поси лює позитивний ефект ініціювання заряду високошвидкісним подовженим ініціатором, оскільки в цьому випадку зниження тиску починається через більший проміжок часу, ніж при поширенні детонації з природною для ВР швидкістю. У реальному свердловинному заряді описані процеси ускладнюються множинністю тріщин. Однак при цьому зберігається закономірність – чим вища швидкість ініціювання заряду вздовж його осі, тим менші втрати продуктів детонації, вищий тиск і більша тривалість його дії в свердловині. Розглянуті закономірності поширюються і на випадок розміщення заряду з кільцевим зазором відносно стінок свердловини, наприклад в оболон d = ky 3 н 3 8k c d c r ВР k l d н é æ [s ]ê1 - ç1 - D ç ê è dн ë ö ÷ ÷ ø 4 ù ú ú û . (12) Після перетворень і виключення членів вищих порядків малості 4 35947 s П = [s ]D = 2k y k c d c r ВР k l d н , Розрахунки здійснені для дрібно-блокового масиву порід при d=5,0×10-3 м, т=0,25 м; середньоблокового масиву порід при d=3,0×10-3м, т=0,75 м; крупно-блокового масиву порід при d=2,0-10-3 м, т=2,0м. Таким чином, питома міцність оболонки залежить від довжини і щільності речовини патронованого заряду. Для виключення порушення цілісності заряду питома міцність оболонки повинна дорівнювати або перевищувати величину (13) де sп – гранична питома міцність оболонки; [s] – міцність матеріалу оболонки на розтягання; kу – коефіцієнт, що враховує умови деформування ініціатора в свердловині; dс – діаметр свердловини; рвр – середня щільність вибухової речовини в патронованому заряді; dн – зовнішній діаметр оболонки. Позначивши K = 2k y k c d c g запишемо (4) у s П = 0,5 r ВР l П [Н/м]. Оболонки з такою міцністю і установленою довжиною здатні згинатися без порушення цілісності матеріалу оболонки, що дозволяє використовувати їх при руйнуванні тріщинуватих та шаруватих порід і забезпечити зниження втрат енергії за рахунок зменшення передчасного проникнення продуктів детонації робочого ВР в тріщини. Література: 1. Воробьев В.Д., Перегудов В.В. Взрывные работы в скальних породах.– Киев: Наук. думка, 1984. – 240 с. 2. Беришвили Г.А., Элизбарашвили Т.Ш. Об эффективности низкочувствительных взрывчатых веществ при инициировании их боевиками различной конструкции // В кн. Взрывное дело, № 76/33.– М.: Недра,1976.– С. 164 – 177. 3. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах / Пер. с англ. под ред. Г.П. Демидюка и Н.С. Бахаревич.– М.: Недра, 1980. – 453 с. 4. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород.– М.: Недра, 1982. – С. 121. 5. Барон В.М., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США.– М.: Недра, 1989. – С. 193-200. 6. Пат. РФ 2060449, МПК6 F 42 В 3/10. Колонковое взрывное устройство. 7. ТУ УЗ. 50. 14310112-040-96. вигляді s П = Kr ВР l П . (14) Згідно з [9], а також експериментальними даними авторів, як ініціатори, що забезпечують ефективне підривання свердловинних зарядів сучасних промислових ВР, можуть використовуватися патроновані (шпурові) заряди діаметром 0,010...0,045 м: (з ТЕНу і пентоліту – 0,01...0,03 м; з амонітів – 0,025...0,045 м; з Гелексів – 0,025...0,045 м; з гексопластів та еластитів – 0,015...0,040 м). Щільність цих ВР змінюється в діапазоні 900...1450 кг/м3. Основний діаметр свердловин на кар'єрах України дорівнює (0,22...0,25)м. У цих умовах вигин патронованого заряду істотно впливає на міцність оболонки при довжині заряду, більшій двох діаметрів свердловини, що відповідає 20-30 діаметрам патрона. В експериментах і конструкції заряду взято найменшу довжину патронованого заряду, яка дорівнює тридцяти його діаметрам. Для встановлення значення коефіцієнта К експерименти проводились на моделі свердловини діаметром 0,22 м з прозорою нижньою частиною і в натурних умовах на свердловинах діаметром 0,250 м. Значення К визначалися розрахунком з формули (4) по відомій міцності матеріалу оболонки і визначеній довжині заряду, при якій оболонка руйнувалася. Результати наведені в таблиці. 5 35947 Таблиця Матеріал оболонки Поліетилен ГОСТ 16337-77Е ГОСТ 16338-85Е Композиція поліетиленів: 20% – по ГОСТ 16338-85Е; 80% – по ГОСТ 16337-77Е Штучна тканина Питома міцність оболонки, Н/м 1120 2140 1120 2240 1120 2240 1500 3000 1500 3000 1500 3000 10200 7800 7800 5600 10200 7800 Діаметр заряРуйнівна довЩільність ВР, ду, жина заряду, 3 кг/м М м 0,028 0,028 0,028 0,028 0,036 0,036 0,036 0,036 0,036 0,036 0,028 0,028 0,036 0,036 0,036 0,036 0,030 0,030 Фіг. 1 6 1450 1450 900 900 900 900 1450 1450 900 900 900 900 1450 1450 900 900 1450 1450 1,55 3,76 2,70 5,30 2,50 5,30 2,41 4,10 3,40 6,67 3,47 6,67 14,00 9,12 14,45 9,57 14,35 11,20 Значення коефіцієнта К, Н·м/кг 0,50 0,41 0,46 0,47 0,50 0,47 0,43 0,50 0,49 0,50 0,48 0,50 0,50 0,59 0,65 0,65 0,49 0,48 35947 Фіг. 2 Фіг. 3 7 35947 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8