Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние науки и практики дробления горных пород взрывчатыми веществами местного изготовления 8
1.1. Современное состояние науки и практики создания и использования взрывчатых веществ местного изготовления в горной промышленности 8
1.2. Методы оценки свойств взрывчатых веществ местного изготовления 13
1.3. Методы измерения скорости детонации промышленных взрывчатых веществ и факторы, которые могут влиять на результаты измерений 22
1.4. Постановка задач исследования 24
2. Эксперименты в лабораторно-полигонных условиях 26
2.1. Методы измерения скорости детонации в опытных образцах зарядов ВВ 26
2.2. Анализ результатов экспериментов выполненных в лаборатоно-полигонных условиях 34
2.3. Разработка требований к датчику, пригодному для измерения скорости детонации в обводненных скважинных зарядах и в текучих ВВ 36
3. Эксперименты в условиях горных предприятий 42
3.1. Методика измерения скорости детонации в скважинных зарядах при производстве массовых взрывов 42
3.2. Эксперименты по измерению скорости детонации в скважинных зарядах и анализ их результатов 45
4. Рекомендации производству и оценка их эффективности 83
4.1. Критерий оценки энергоотдачи ВВ в скважинных зарядах 83
4.2. Метод определения относительной работоспособности ВВ на объекте буровзрывных работ 87
4.3. Метод оперативной оценки качества дробления горных пород взрывом 95
4.4. Рекомендации по повышению эффективности применения ПВВ на открытых горных работах 101
4.5. Анализ результатов экспериментов по измерению гранулометрического состава раздробленной породы 109
4.6. Экономическая эффективность предлагаемого способа и внедрения 111
Заключение 116
Список литературы 119
Приложение 133
- Методы оценки свойств взрывчатых веществ местного изготовления
- Анализ результатов экспериментов выполненных в лаборатоно-полигонных условиях
- Эксперименты по измерению скорости детонации в скважинных зарядах и анализ их результатов
- Метод определения относительной работоспособности ВВ на объекте буровзрывных работ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время большинство крупных горных предприятий сами изготавливают взрывчатые вещества для дробления горных пород взрывом. Взрывчатые вещества местного изготовления дешевле заводских, безопаснее, допускают комплексную механизацию всех работ, связанных с их изготовлением, доставкой в карьер и заряжанием скважин.
Однако к настоящему времени заряды взрывчатых веществ местного изготовления изучены недостаточно. Такие заряды выделяют только часть своей потенциальной энергии, т.е. детонируют в режимах отличающихся от режима нормальной детонации, вплоть до отказов. Это отрицательно сказывается на качестве дробления горных пород и на экономических показателях работы горных предприятий. Поэтому изучение условий детонации зарядов промышленных взрывчатых веществ местного изготовления и разработка способов эффективного дробления горных пород такими зарядами является актуальной задачей.
В работе представлены результаты экспериментального определения скорости детонации по длине зарядов ВВ при взрывании их в сухих и обводненных скважинах с целью выбора рациональных условий детонации и повышения эффективности дробления горных пород.
Настоящая работа содержит результаты исследований, полученных автором в процессе выполнения НИР Института проблем комплексного освоения недр РАН в качестве исполнителя в соответствии с программой фундаментальных исследований Президиума РАН и отделения наук о Земле по теме 6.16 «Физико-технические основы и новые технологии разрушения высоких уступов крупномасштабными взрывами при освоении месторождений полезных ископаемых» на 2005-2007 гг.
Цель диссертационной работы - обеспечение эффективного дробления горных пород скважинными зарядами взрывчатых веществ при взрывании их в сложных горнотехнических и геологических условиях.
Научная идея заключается в том, что полнота выделения энергии и эффективное дробление горных пород достигается при максимально возможной по длине заряда скорости детонации.
Основные защищаемые положения
1. Средняя скорость детонации в скважине не отражает в деталях
процесс полноты выделения энергии удлиненных зарядов. Разработана
методика измерения в условиях карьера скорости детонации по длине заряда
с использованием разработанного датчика и серийной регистрирующей
аппаратуры.
2. Экспериментально установлено, что скорость детонации взрывчатых
веществ вдоль скважинных зарядов в карьерах часто существенно
изменяется. Это является показателем неполного выделения энергии при
взрыве и причиной некачественного дробления породы. Уровень
энерговыделения в этих условиях предложено оценивать коэффициентом
относительной реализации теплоты взрыва, рассчитываемым по полученной
нами зависимости.
3. Эффективное дробление горных пород в карьерах и угольных
разрезах зарядами взрывчатых веществ может быть реализовано
увеличением массы промежуточного детонатора и изменением его формы,
когда по условиям изготовления ВВ и заряжания скважин критический
диаметр детонации промышленных зарядов приближается к диаметру
заряжаемых скважин.
Научная новизна заключается в разработке:
— метода определения полноты выделения энергии при взрывании скважинных зарядов в карьерах с использованием предложенного коэффициента относительной реализации теплоты взрыва;
оригинального метода измерения скорости детонации скважинных зарядов, в том числе обводненных;
датчика для измерения скорости детонации скважинных зарядов, в том числе обводненных.
Методы исследований. В работе использовался комплексный метод исследований, включающий системный анализ, статистический метод исследования и обобщения, экспериментальные исследования.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обусловливается использованием современных теоретических и экспериментальных средств исследования, результатами анализа большого объема проведенных экспериментов в промышленных условиях.
Практическое значение работы заключается в разработке:
- конструкции датчика для измерения скорости детонации скважинных
зарядов, в том числе обводненных;
— способа реализации рационального режима детонации близкого к нормальному, скважинных зарядов в карьерах за счет увеличения массы и изменения формы промежуточного детонатора.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались на научном симпозиуме «Неделя горняка» (Москва, МГГУ,
2005-2010 гг.), на V Международной конференции «Физические проблемы
разрушения горных пород» (Санкт-Петербург, ЛГТУ 2006 г.), на VI и VII
Международной научно-технической конференции «Комплексная
утилизация обычных видов боеприпасов» (Красноармейск, КНИИМ, 2005,
2007 гг.), на V международной научно-практической конференции «Наука и
новейшие технологии при поисках, разведке месторождений полезных
ископаемых» (Москва, РГГРУ, 2006 г.), на научно-практической
конференции «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы
развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы»
(Москва, РГГРУ, 2008 г.), на И-VI Международной научной школе молодых
учёных и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами
молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2005-2009 гг.), на Межвузовской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодые наукам о земле» (Москва, РГГРУ, 2008 г.), на научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные проблемы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых» (Москва, ВИМС, 2008 г.), на IV Межотраслевой научно-технической конференции «Промышленные взрывчатые вещества: состояние, перспективы разработки и применения» (Дзержинск, ФГУП «ГосНИИ «Кристалл», 2008 г.), на Международном совещании в рамках научных чтений имени академика АН СССР Н.В. Мельникова «Развитие идей Н.В. Мельникова в области комплексного освоения недр» (Москва, УРАН ИПКОН РАН, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы: в рекомендованных ВАК РФ изданиях - 9, в прочих печатных изданиях - 16, всего - 25 научных работ, четыре патента на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и выводов, списка использованных источников из 130 наименований, одного приложения и содержит 133 страницы и машинописного текста, 46 рисунков и 15 таблиц.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОНИЕ НАУКИ И ПРАКТИКИ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ВЗРЫВЧАТЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ МЕСТНОГО
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Методы оценки свойств взрывчатых веществ местного изготовления
Для достижения наибольшей эффективности применения ВВ в горном деле необходимы глубокие знания о взрывном превращении и действии взрыва, зависящие от целого ряда факторов, многие из которых, как и в 50-е годы XX века [10] определяются лабораторным путем. С появлением ВВ местного изготовления, в т.ч. водосодержащих и эмульсионных ранее принятые методы оценки их действия (бризантность и работоспособность) оказались непригодными из-за сравнительно большого их критического диаметра. Существует совсем не много методов, к которым можно прибегнуть для оценки свойств ВВ местного изготовления: - метод испытания на полноту детонации; - метод определения критического диаметра; - метод испытания на передачу детонации; - метод определения работоспособности. Испытания на полноту детонации проводят для определения детонационной способности одного или нескольких открытых зарядов ВВ. ВВ помещают в гильзу (бумажную, полиэтиленовую) длиной, равной не мене пяти - десяти диаметров, при постоянном встряхивании. Для горячельющихся ВВ и ВВ в водонаполненном состоянии допускается применять пластмассовые, фанерные трубы или трубы из тонколистовой стали, толщина стенки которых должна оговариваться в нормативно-технической документации на соответствующее ВВ. Плотность заряда и диаметр установлены нормативно-технической документацией на соответствующие ВВ. Производят три повторных испытания. Полнота детонации определяется по углублениям в грунте на месте расположения зарядов и по отсутствию остатков ВВ после взрыва. Критический диаметр является важнейшей характеристикой детонационной способности ВВ. По нему определяют, в зарядах какого диаметра данное ВВ можно применять на взрывных работах.
Для отыскания критического диаметра обычно последовательно взрывают серию цилиндрических зарядов с постепенным увеличением или уменьшением их диаметра в зависимости от результатов предыдущего взрыва. Таким образом, находят диаметр заряда, меньше которого детонация не способна устойчиво распространяться и на некотором расстоянии затухает вследствие слишком больших химических потерь на фронте детонационной волны. Чтобы установить, затухающая или не затухающая детонация прошла вдоль заряда, длину его берут не меньше пяти - десяти диаметров. Испытания на передачу детонации в некоторых случаях, например, при контрольных проверках на базисных складах, проводят по упрощенной методике. Вместо отыскания максимального расстояния три пары патронов поочередно взрывают с расстоянием между их торцами, соответствующим установленной норме для данного ВВ. Партия ВВ считается выдержавшей испытание, если в трех опытах установлена полная детонация пассивного патрона. При отказе детонации хотя бы в одном из опытов испытания повторяют в удвоенном количестве, результаты которых являются окончательными для решения вопроса годности ВВ. Процесс передачи детонации от патрона к патрону зависит от многих факторов, поэтому испытания следует проводить с особой тщательностью. Патроны должны быть уложены на ровном грунте строго по одной оси, углы бумаги на внутренних их торцах тщательно подогнуты, затеки парафина из-под бумаги удалены. Слежавшиеся патроны перед испытанием следует разминать в руках. По трехпатронному методу испытаний на передачу детонации (ГОСТ 11131—65) на грунте укладывают три патрона с одинаковым искомым расстоянием между внутренними их торцами, в один из которых помещают КД.
Находят максимальное расстояние, при котором полностью детонируют оба пассивных патрона в двух параллельных опытах. В случае отказа хотя бы одного из пассивных патронов число испытаний удваивается. Предполагается, что если второй патрон будет детонировать с затухающей детонацией, то третий может отказать. Следовательно, по этому методу можно получить более объективную оценку детонационной способности. О передаче детонации судят по отсутствию остатков ВВ и по наличию углубления и следов взрыва в грунте на месте расположения патронов. Если на месте расположения второго патрона не окажется углубления, то это означает, что детонация неполная, и остатки ВВ с оболочкой следует искать на некотором удалении от места взрыва. В зависимости от результатов первого взрыва взрывают следующие пары патронов, расстояние между которыми постепенно (на 1—2 см) увеличивают или уменьшают до тех пор, пока не найдут то максимальное расстояние, при котором в трех параллельных опытах будет зафиксирована полная детонация пассивного патрона. Это расстояние, измеренное в сантиметрах, и считается расстоянием передачи детонации патронов испытуемого ВВ. По изложенной методике испытывают каждую партию ВВ, выпускаемого в патронированном виде. Если ВВ выпускается в патронах большего диаметра, то контрольно-приемочные испытания на передачу детонации можно выполнять в патронах диаметром 32—36 мм, массой 200— 300 г и с установленной для них рабочей плотностью. Полученные результаты передачи детонации должны удовлетворять нормам технических условий, установленным на испытанные патроны.
Анализ результатов экспериментов выполненных в лаборатоно-полигонных условиях
Измерение скорости детонации в патронированном аммоните 6ЖВ. показало хорошую воспроизводимость результатов измерений. Несмотря на отсутствие контроля за плотностью и влажностью аммонита 6ЖВ разброс значений от среднего в любом из опытов не превысил 100 м/с. На основании данных полученных в опытах можно сделать вывод, что прибор ZBS-10 позволяет проводить измерения с хорошей точностью, стабильно работает с датчиками разных типов, как при подключении датчиков через одножильные провода, так и через коаксиальный кабель различной длины. Измерения скорости детонации в удлинённом заряде чешуированного тротила в стальной оболочке показали надёжную работу ZBS-10 с большим количеством датчиков, установленных в металлической оболочке, в т.ч. при низких скоростях фронта, которые наиболее часто встречаются при определении критического диаметра детонации промышленных ВВ и при недостаточно эффективном инициировании ПВВ с низкой ударно-волновой чу вствительн остью.
Измерения скорости детонации в заряде обводнённого гранулотола показали надёжную работу прибора ZBS-10 и капсюльных датчиков в условиях эксперимента. Следует отметить несколько больший разброс значений скорости, получаемых в одном опыте при использовании капсюльных датчиков по сравнению с проволочными, что объясняется их конструктивными особенностями, однако, по мнению специалистов ИПХФ РАН это не должно сказываться на точности измерений прибором ZBS-10 при использовании больших баз. Однако конструкцию капсюльных датчиков было решено усовершенствовать.
Измерение скорости детонации в трубчатых зарядах гексонита Д показали, что прибор ZBS-10 может надёжно фиксировать моменты затухания детонации в зарядах, диаметры которых близки к критическим. Данное обстоятельство подтверждено визуальным обследованием отказавших трубчатых зарядов гексонита Д диаметром 39-40 мм в опытах на полноту и передачу детонации, проведённых в ФГУП «им. Морозова».
Измерения скорости детонации на отрезках детонирующего шнура показали надёжную работу прибора ZBS-10 при скоростях от 6215 м/с до 7390 м/с. Достаточно большой разброс полученных данных можно объяснить или конструктивными особенностями капсюльного датчика, конструкцию которого усовершенствовали перед следующим этапом экспериментов, или качеством детонирующего шнура, например, разнотолщинностью его сердцевины.
В результате опытов проведённых на полигонах: ИПХФ РАН, ФГУП «им. Морозова», ФГУП «Муромский приборостроительный завод» и ООО «Азот-Черниговец» отработана методика определения скорости распространения фронта при различных режимах взрывчатых превращений в опытных образцах зарядов и отрезках детонирующего шнура с использованием прибора ZBS-10, с датчиками различных конструкций. Подтверждена возможность регистрации скорости затухающих процессов и нормальной детонации, максимальное значение которой, зафиксированной в опытах составило 7390 м/с.
Измерение скорости детонации в опытных зарядах большой массы гранулита РП с применением прибора АЦП «Е-440», используемого для измерения скорости детонации на полигоне Камбаратинской ГЭС-2, подтвердила возможность применения разработанной методики для изучения детонационных процессов в достаточно крупных опытных зарядах, формируемых, например, из нескольких стандартных мешков ВВ. При этом было установлено, что в открытых зарядах гранулита РП массой 120 - 200 кг длина участка разгона инициирующей ударной волны зависит от массы промежуточного детонатора.
Эксперименты по измерению скорости детонации в скважинных зарядах и анализ их результатов
В соответствии с методикой были проведены эксперименты с взрывчатыми смесями типа игданит, в составе которых в качестве окислителя использовали аммиачную селитру разного качества: Дорогобужского производства ОАО «Акрон» (ТУ 2143-036-00203789-2003), Березниковского производства ОАО «Азот» (ТУ 2143-635-00209023-99) и Кемеровского производства ОАО «Азот» (ГОСТ 2-85). Условия проведения опытов представлены в табл. 3.1. Полученные результаты представлены в виде графических материалов на рис. 3.4 - 3.9. По результатам опытов с ПАС-ДТ представленных на рис. 3.4 можно заключить, что: - при всех массах промежуточных детонаторов, использованных в эксперименте для инициирования скважинных зарядов диаметром от 105 до 228 мм участок разгона инициирующей ударной волны не был зафиксирован, т.е. сбалансированная по кислородному балансу взрывчатая смесь ПАС-ДТ в скважинных зарядах игданита диаметром от 105 мм и выше достаточно - после инициирования зарядов промежуточный детонатор с разной массой уже на первой базе в разных опытах были зафиксированы значения скорости детонации от 3147 до 3521 м/с; - наименьшая средняя скорость детонации была зафиксирована в скважинном заряде наименьшего диаметра - 105 мм, что вполне логично, т.к величина данного диаметра ближе других к величине критического диаметра для данной взрывчатой смеси; - при больших значениях диаметра скважин - 203 и 228 мм скорость в зарядах была примерно на одном уровне, в одних и тех же пределах- от 3125 до 4083 м/с.
Данные значения согласуются (пересекаются) с областью значений, зарегистрированных в скважинных зарядах карьера «Мурунтау», значения которых, согласно данных представленных [33], находились в пределах от 3300 до 3500 м/с; - величина скорости детонации в скважинных зарядах ПАС-ДТ не превосходит величину скорости детонации в более плотных смесях типа АС- ММО или ПАС-АС-ММО, однако их несомненным преимуществом смеси ПАС-ДТ является её достаточно высокая чувствительность к инициирующему импульсу, на основании чего рекомендуется в комбинированных конструкциях зарядов вокруг промежуточного детонатора располагать ПАС. D - скорость детонации, м/с; L - расстояние от ПД, м По результатам опытов с ПАС-ММО представленных на рис. 3.5 можно заключить следующее: - значения скорости детонации при промежуточном детонаторе = 1,0 кг, которые оказались выше скорости детонации при промежуточном детонаторе = 3,0 кг возможно объяснить лучшей сбалансированностью ВВ, а именно, в опыте 12/06 соотношение ПАС : ММО составляло 94,5 : 5,5, тогда, как в опытах 3/05 и 12/05 соотношение было 95 ; 5; - довольно сильные колебания значений скорости детонации относительно среднего значения и дальнейший спад скорости детонации в скважинном заряде при промежуточном детонаторе 1,0 кг говорят о неустойчивом протекании детонационного процесса в скважинном заряде, в результате чего произошло падение скорости детонации с 3500 м/с на расстоянии 0,45 м от промежуточного детонатора до 2000 м/с - на расстоянии 8,55 м. Это может быть объяснено низким качеством ММО, плохим смешением
Метод определения относительной работоспособности ВВ на объекте буровзрывных работ
На основании результатов исследований [68] установлено, что максимальная работоспособность водосодержащих смесей «окислитель-горючее» наблюдается при значительно более высокой плотности, чем максимальная скорость детонации. В связи с этим, на наш взгляд, было бы логично непосредственно на горных предприятиях - в конкретных геологических условиях и в привязке к действующему технологическому процессу определять относительную работоспособность применяемых ВВ.
В отличие от индивидуальных и порошкообразных смесевых, ВВВ и грубодисперсные ВВ имеют пониженную ударно - волновую чувствительность и большие критические диаметры. Поэтому лабораторные методы определения эффективности (взрывание в свинцовой бомбе, калориметрической бомбе и др.) для таких ВВ оказались непригодными. Теоретические методы оценки (по теплоте взрыва, детонационным характеристикам) так же в большей мере пригодны для индивидуальных ВВ. Разработка расчётных методов применительно к смесевым и тем более к ВВВ и грубодисперсным ВВ требует дальнейших исследований. Разумеется, самым надёжным методом определения эффективности действия ВВ, является практическое испытание их в конкретных условиях применения, понимая под конкретными условиями определённый вид полезной работы (выброс, дробление породы и т.п.) [81].
Критический диаметр современных ПВВ, к которым относятся наиболее широко применяемые в горной промышленности ЭВВ, игданиты, а также ВВ изготавливаемые из утилизируемых порохов составляет 100 - 200 мм и выше.
Работать с такими ВВ, которые обладают низкой ударно-волновой чувствительностью в лабораторно-полигонных условиях во-первых сложно и опасно, слишком большую массу ВВ необходимо единовременно взрывать, а во-вторых накладно — достаточно большие затраты на опытные взрывы, в т.ч. на ВВ.
Для наиболее приемлемого из известных методов оценки работоспособности ВВ - метода сравнения размеров воронок в грунте созданных взрывом на выброс с использованием испытываемых ВВ [52, 69, 75] необходимо обеспечить специальные условия, например, полигон со всей необходимой инфраструктурой, начиная со склада ВМ, блиндажа и специального оборудования, кончая отчуждением большой территории для оцепления опасной зоны, радиус которой при взрывах на выброс может превосходить 1 км.
Для получения объективных данных некоторые исследователи проводят подобные испытания в специальном бассейне, в котором размещают грунт со специальными свойствами, что также сопряжено с достаточно продолжительной подготовкой и высокой стоимостью подобных экспериментов. При этом, обслуживать такой полигон, может только специально обученный персонал.
Кроме того, для доставки ВВ на специальный испытательный полигон требуется обеспечить: согласование маршрута движения, специализированный транспорт, охрану, в некоторых регионах требуется сопровождение МВД и т.д., что также связано с потерей времени и средств.
Однако даже если выполнить все вышеперечисленные условия нельзя быть до конца уверенным в полученных данных, что подтверждается выводом сделанным в заключении работы [52], где отмечается, что использование песка в качестве среды для проведения взрывов имеет свои специфические особенности и полученные результаты не всегда могут быть количественно перенесены на горную породу. Видимо, учтя этот недостаток, специалисты комбинатов: Норильского, Каджаранского, Кемеровоуголь [81], а также американские исследователи стали применять метод воронкообразования или кратерный метод, осуществляемый путём взрывания при одной свободной поверхности, непосредственно в массивах горных пород [8, 123]. К недостаткам метода испытания ВВ по воронкообразованию относится: высокая степень варьирования абсолютных и приведённых значений - до 35 %; трудность интерпретация результатов взрывов значительно больших масштабов; интерпретация результатов с формами полезной работы взрыва, отличными от выброса породы, - дробление и разрыхление с заданной интенсивностью, уплотнение и упрочнение различных материалов и др. [8, 81]. Более стабильные данные были получены при оценке эффективности ВВВ методом камуфлетного взрыва в условиях Норильского комбината. Сопоставление образовавшихся объёмов полостей и расчётных энергий соответствующих зарядов показало удовлетворительное соответствие с принципом пропорциональности [81]. Аналогичный метод описан в работе [123], однако он был использован для испытаний ВВ имеющих небольшой критический диаметр, т.к. в эксперименте ВВ заряжали в шпуры диаметром 32 мм. Предлагались и другие методы, например: оценка эффективности по контролю процесса разрушения металлической трубы, в которой был взорван заряд ВВВ [81]; метод «водяного купола» [8], основанный на оценке кинетической энергии подъёма центра водяного столба (купола), образующегося при подводном взрыве заряда; сейсмический фирмы «Иреко» [8]; террасное взрывание [123]; по основным параметрам ударной воздушной волны [97]. Однако ни один из вышеперечисленных и предложенных в разное время методов до сих пор не стал стандартным ни в России, ни за рубежом. На основании изучения положительных сторон и недостатков известных методов, для оценки относительной работоспособности ВВ в условиях горных предприятий или любых других объектов, где выполняются буровзрывные работы, предложен метод определения относительной работоспособности ВВ. С помощью предлагаемого метода обеспечивается оперативность и снижаются затраты при организации и проведении испытаний современных ПВВ с низкой ударно-волновой чувствительностью.
