Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор и анализ научно-технической литературы 9
1.1 Анализ способов и методов управления энергией взрывчатых веществ при взрыве скважинных зарядов 9
1.2 Влияние параметров промежуточного детонатора на процесс распространения детонационной волны 27
1.3 Анализ методик расчета параметров буровзрывных работ 32
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 49
ГЛАВА 2 Исследование параметров промежуточного детонатора на режим взрывчатого превращения скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ 51
2.1 Исследование закономерностей распространения детонационной волны при взрыве заряда эмульсионного взрывчатого вещества от параметров промежуточного детонатора 51
2.2 Исследование влияния диаметра заряда и параметров промежуточного детонатора на скорости детонации скважинных зарядов эмульсионных ВВ 69
2.3 Выводы по главе 2 85
ГЛАВА 3 Выбор и обоснование ращональньіхконструкций и параметров скважинных зарядов для определения размеров зоны регулируемого дробления 86
3.1 Исследование влияния параметров скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ на процесс формирования зоны регулируемого дробления 86
3.2 Выбор и обоснование конструкции скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ 96
3.3 Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4 Опытно - промышленные исследования взрывной подготовки горной массы к выемки зарядами эмульсионных вв для условий карьера зао «семиозерское ку» 103
4.1 Разработка методики проведения опытно-промышленных испытаний 103
4.2 Результаты опытно-прымышленных взрывов ПО
4.3 Разработка мероприятий и рекомендаций по повышению качества дробления горной массы 117
4.4 Экономические показатели эффективности взрывных работ при применении эмульсионных взрывчатых веществ с заданными параметрами 120
4.3 Выводы по главе 4 122
Заключение 123
Список литературы
- Влияние параметров промежуточного детонатора на процесс распространения детонационной волны
- Исследование влияния диаметра заряда и параметров промежуточного детонатора на скорости детонации скважинных зарядов эмульсионных ВВ
- Выбор и обоснование конструкции скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ
- Разработка мероприятий и рекомендаций по повышению качества дробления горной массы
Влияние параметров промежуточного детонатора на процесс распространения детонационной волны
Основными взрывчатыми характеристиками ВВ являются: теплота взрывчатого превращения, работоспособность, скорость детонации, давление во фронте детонационной волны, давление газообразных продуктов взрыва.
Теплота взрывчатого превращения, выделяемая в процессе реакции, является весьма важной энергетической характеристикой взрывчатого вещества, определяющей его работоспособность. Чем больше выделено теплоты, тем выше температура нагрева продуктов взрыва, тем больше давление, а следовательно, и воздействие продуктов взрыва на окружающую среду [12,26,73].
Теплота, выделяющаяся при взрыве смесевых ВВ, в значительной степени зависят от соотношения горючих элементов и кислорода в составе ВВ. Наиболее эффективным является ВВ с нулевым или близким к нулевому кислородным балансом, так как при полном окислении горючих элементов выделяется максимально возможное количество тепла.
При взрыве большинства промышленных ВВ выделяется от 2400 до 5600 кДж/кг тепла. Отдельные индивидуальные ВВ выделяют более 5600 кДж/кг, а предохранительные маломощные — менее 2400 кДж/кг. Отдельные индивидуальные ВВ выделяют более 6000 кДж/кг. Теплота взрыва каждого индивидуального ВВ не является его строгой константой, а варьируется в некоторых пределах и зависит от условий расширения продуктов взрыва, размеров заряда ВВ, начальной плотности и соотношения окислителя и горючих компонентов.
Для оценки потенциальных возможностей вещества при написании схемы разложения целесообразно использовать принцип максимального энерговыдсления (принцип Бертло), согласно которому горючие элементы окисляются до высших окислов, а азот выделяется в молекулярном виде. Схема одинаково применяется для расчета Qmax, молекулярных и смесевых ВВ, исходя из их брутто-формулы. При этом предполагается, что смесевое ВВ разлагается так же, как и молекулярное. Для веществ с отрицательным кислородным балансом часто используется принцип Бринкли-Вильсона, в котором учитывается образование окиси углерода.
При оценке теплоты взрывчатого превращения ЭВВ было показано [49,50], что за счет мелкодисперсной структуры количество энергии, выделяемое при взрыве ЭВВ больше по сравнению с другими ВВ. Поэтому даже если теоретически суспензионные ВВ превосходят ЭВВ по удельной энергии взрыва, то на практике наблюдается обратная картина, особенно в зарядах малого диаметра.
В работе [51] при исследовании зависимости теплоты взрыва от содержания горючего показано, что теплота снижается при увеличении последнего.
В США на горных предприятиях используются составы на основе обратной эмульсии и 75% AN-FO для обводненных скважин. Внедрение данных взрывчатых смесей позволяет повысить эксплуатационные и взрывчатые характеристики смесей AN-FO. Введение в смесь АС-ДТ до 30% эмульсии повышает плотность заряжания с 0,8-0,9 г/см до 1,1-1,2 г/см и как следствие этого повышается эффект взрыва и расширяется область применения простейших составов. Дальнейшее повышение содержания эмульсии до 70% в составе делает смесь водоустойчивой при сохранении взрывчатых характеристик на уровне эмульсионных веществ. Кроме этого, внедрение смесей эмульсии с АС-ДТ на имеющихся мощностях эмульсионных веществ позволяет увеличить производительность установки на величину, соответствующую вводимому количеству АС-ДТ.
Из таблицы 1 видно, что максимальная энергия заряда ЭВВ достигается при содержании АС-ДТ в смеси 50-60%. При этом данные смеси имеют высокие взрывчатые характеристики и позволяют регулировать концентрацию энергии по высоте скважины и в зависимости от крепости породы. Таблица 1 - Теплоты взрывчатого превращения ЭВВ в зависимости от
Работоспособность является одной из важнейших энергетических характеристик ВВ и показывает какую механическую работу может совершить продукты взрыва при адиабатическом расширении до атмосферного давления. Величина работоспособности зависит от теплоты взрыва, химического состава ВВ и физических свойств ВВ.
В работах [24,50] показано, что величина работоспособности ЭВВ зависит от размера заряда и степени сенсибилизации. Для оценки работоспособности ЭВВ Кукиб Б.Н. в ЗАО «Нитро Сибирь» использовал метод воронкообразования. Критерием работоспособности являлось отношение масс зарядов исследуемого и эталонного ВВ, при взрыве которых образуются воронки одинакового объема. В результате было показано, что работоспособность ЭВВ оказалась равной работоспособности гранулотола. Так же в результате этих опытов была установлена зависимость работоспособности от плотности ЭВВ (рисунок 2).
Анализируя данные зависимости видно, что в зарядах диаметром 100 мм рост скорости детонации продолжается до относительной плотности 0,91 и работоспособности - 0,91-0,93, а затем обе эти характеристики начинают резко уменьшаться. При превышении плотности более 0,91 - 0,93 наблюдается резкий рост критического диаметра детонации. Увеличение критического диаметра детонации влечет быстрый рост степени не идеальности процесса детонации, что приводит к заметному снижению скорости детонации и работоспособности.
Исследование влияния диаметра заряда и параметров промежуточного детонатора на скорости детонации скважинных зарядов эмульсионных ВВ
Основными требованиями, предъявляемыми к качеству взрывов при ведении БВР, являются [59-61]: - порода при взрыве должна быть раздроблена на куски, не превышающие определенных размеров по крупности, а выход крупных негабаритных кусков и мелочи должен быть минимальным ( 5 %); - после взрыва на земной поверхности не должно быть завышений подошвы уступа (порогов), а также заколов за последний ряд скважин. Выброс породы за линию скважин на верхнюю бровку уступа должен быть минимальным; - развал взорванной породы должен быть заданной ширины и высоты, обеспечивающий высокопроизводительную и безопасную работу погрузочных и транспортных машин.
При бурении и взрывании эффективность разрушения горных пород определяется различными факторами . Это связано с тем, что при бурении зона разрушения под лезвием инструмента имеет небольшие размеры (доли сантиметра) и зависит от микросвойств горных пород: твердости, прочности, абразивности, зернистости, вязкости и т.д.
При взрывании на карьерах зона разрушения имеет размеры от 3 до 6 м и эффективность дробления массива при этом зависит от трещиноватости, прочности и разрушаемости отдельностей, слагающих массив при соударении и их плотности.
Одну из важнейших ролей при ведении БВР играет трещиноватостть массива, которая влияет на кусковатость взорванной горной массы и на выход негабарита. Одни и те же по составу породы при интенсивной трещиноватости разрушаются, не образуя негабарита, и, наоборот, при слабой трещиноватости дают большой выход негабарита[59]. Трещины оказывают экранирующие действие на распространение энергии взрыва, локализуют разрушение отдельностями, расположенными вокруг заряда, а на больших расстояниях отдельности могут разрушаться только за счет их соударения между собой.
Средний объем крупных отдельностей, слагающих массив, зависит от типа трещиноватости массива: чем больше содержание в массиве крупных отдельностей, тем больше их средний объем. Все породы по степени трещиноватости или содержанию в массиве крупных отдельностей условно разделены по предположению д.т.н. Рубцова В.К. на пять категорий. Исходя, из категории трещиноватости горных пород можно выбрать рациональные параметры БВР: диаметр взрывных скважин (шпуров), параметры их расположения, схему их взрывания, удельный расход и тип ВВ.
Основными параметрами при ведении взрывных работ в настоящее время являются диаметр скважин, удельный расход ВВ, линия наименьшего сопротивления, сетка расположения скважин (шпуров), конструкции зарядов [4,30, 31,36,59-61].
Выбор рационального удельного расхода ВВ - технико-экономическая задача решение которой основывается на подсчете конечной стоимости добычи полезного ископаемого по всем технологическим процессам.
При увеличении удельного расхода ВВ сначала происходит более интенсивное увеличение степени дробления массива, а затем наступает так называемое состояние насыщения массива энергией взрыва, когда последний не может поглотить большего количества энергии, и она расходуется на увлечение разброса горной массы и сейсмического действия взрыва.
В основу теоретических и эмпирических формул для расчета удельного расхода ВВ заложен принцип, что давление импульса взрыва и деформация породы в точке на некотором расстоянии от заряда зависят от величины заряда и расстояния от данной точки до заряда.
Также для расчета удельного расхода ВВ для различных горных пород используют различные шкалы и классификации пород по взрываемости, например шкалу «Союзвзрывпрома», в которой породы разделены на 16 категорий, прочность на 10 категорий, коэффициент крепости при этом изменяется от 0,3 до 20.
В настоящее время принимается, что расход энергии (q) взрыва необходимый на дробление породы пропорционален площади вновь создаваемых свободных поверхностей, которая, в свою очередь, зависит от степени дробления п = -gL-, то есть от соотношения средних линейных размеров
С увеличением степени дробления п практически пропорционально увеличивается удельный расход ВВ. Обычно в практике взрывания степень дробления равна п = 1 - 5. В отдельных случаях, например при dcp = ОД - 0,25 м, дробление естественных отдельностей может не учитываться и считается, что порода разрушается взрывом на сотрясение, при этом величина п может быть меньше единицы.
Влияние трещиноватости для различных типов трещин (экзогенные, тектонические, выветривания и др.) на удельный расход ВВ имеет сложный характер. В целом это влияние учитывается коэффициентом трещиноватости Ктр, который приблизительно равен 1,2, при этом потери энергии на трещинах приблизительно состовляет 20 % от общей энергии. Удельный расход ВВ является функцией трещиноватости [59-61]:
Практикой установлено, что для каждой категории пород существует линейная зависимость вида W = Ы3, угол наклона которой определяется крепостью и блочностью. При этом в данной зависимости допускается, что с увеличением диаметра заряда выход крупных фракций при взрыве увеличивается. Данный факт объясняется тем, что с увеличением W все больший процент отдельностей, слагающих массив, будет при взрыве попадать в зону практически нерегулируемого дробления. Уменьшив диаметр заряда, можно достигнуть положения, при котором все отдельности попадут в зону регулируемого дробления. Поэтому диаметр заряда относится к одному из наиболее существенному параметру регулирования степени дробления. При меньших диаметрах зарядов, кроме того, уменьшаются заколы за линию зарядов вглубь массива, уменьшается относительный объем переизмельчения породы вокруг заряда и происходит распространение энергии по массиву с меньшим затуханием [59].
Выбор и обоснование конструкции скважинных зарядов эмульсионных взрывчатых веществ
Одной из основных практических характеристик ЭВВ является скорость детонации, которая может изменяться в широких диапазоне от 2000 до 6000 м/с и зависит от плотности ЭВВ. Режимы детонации в зависимости от действия различных факторов (температура, давление, плотность и др.) наиболее изучены для индивидуальных ВВ.
Детонация эмульсионных ВВ происходит несколько иначе, чем твердых. Высокое значение (до 8000 м/с) соответствует теоретической гидродинамической скорости, тогда как низкая скорость детонации, равная примерно 2000 м/с, ненамного превышает скорость звука в этих веществах. Слабые первичные инициирующие импульсы всегда возбуждают детонацию низшего порядка, которая в благоприятных условиях переходит в высокоскоростную. К тому же мощность взрыва ЭВВ всегда в большей степени зависит от мощности инициатора и вида оболочки, чем для смесевых ВВ.
Скорость детонации для одного и того же взрывчатого вещества может быть различной и зависит от химического состава и структуры ВВ, диаметра заряда и плотности взрывчатого вещества. При исследовании зависимости скорости детонации от различных факторов обнаруживаются существенные различия для индивидуальных и смесевых ВВ. Такое различие объясняется разными механизмами развития процесса детонации. В мощных индивидуальных ВВ фронт детонационной волны считается гомогенным, и сильная ударная волна, распространяющиеся по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их разогрев и химические превращения. Такой механизм возбуждения детонации называется «гомогенным». Достаточный для возбуждения реакции разогрев слоя ВВ согласно расчетам, может произойти при скоростях детонаций 6000 - 8000 м/с. Гомогенный процесс соответственно характерен для ВВ, обладающих высокой степенью сплошности. Возбуждение устойчивого процесса при меньших скоростях детонации более вероятно не по механизму гомогенного разогрева, а путем разогрева отдельных очагов в сечении заряда ВВ, в которых концентрируется энергия ударной волны. Такими локальными очагами могут явиться пузырьки газа, нагревающиеся при сжатии до очень высокой температуры, а также различного рода включения, вызывающие неравномерность движения массы, внутреннее трение и вследствие этого сильный местный разогрев. Этот механизм так же присутствует в менее выраженном виде и в случае гомогенного процесса.
Для возбуждения детонации ударная волна должна иметь параметры (в первую очередь скорость детонации), которые необходимы для образования химической реакции за фронтом. Поэтому для определения закономерностей, возбуждения детонации скважинных зарядов эмульсионных ВВ уменьшенного диаметра, необходимо знать величину скорости инициирующей ударной волны (скорость детонации промежуточного детонатора), необходимую для возникновения детонации, и зависимость данной скорости от характеристик основного заряда.
Непосредственное определение скорости ударных волн, возникающих в инициируемом заряде, является сложной задачей. Однако о скорости ударной волны можно судить по детонации инициируемого заряда, при этом должна быть запись действительной скорости.
О скорости ударной волны, возникающей в начале инициируемого заряда, можно также судить по скорости детонации промежуточного детонатора заряда. Хотя скорость ударной волны, возникающей в начале основного заряда, не равна скорости детонации промежуточного детонатора, она должна быть однозначно связана с ними. Чем больше скорость детонации промежуточного детонатора, тем при прочих равных условиях скорость ударной волны, возникающей в инициируемом (основном) заряде, будет больше [12,19,21,36,65].
Для исследования влияния диаметра заряда и параметров промежуточного детонатора на скорость детонации были проведены экспериментальные взрывы в условиях карьера ЗАО «Семиозерское КУ». Испытания проводились в два этапа.
На первом этапе эксперимента определяется влияние диаметра заряда на скорость распространения детонационной волны при постоянной величине инициирующего импульса (длины, диаметра, массы промежуточного детонатора). Измерения проводились в скважинах диаметрам 115, 125 мм.
На втором этапе определялось влияние величины инициирующего импульса (длины, диаметра, массы промежуточного детонатора) на скорость распространения детонационной волны по длине колонки заряда скважинного заряда диаметром 115, 125 мм.
При перемещении фронта детонационной волны от патрона - боевика к устью скважины, проводник, помещенный в скважину разрушается, при этом по мере уменьшения длины проводника, меняется его электрическое сопротивление. Проводник состоит из внешней оплетки и внутреннего кабеля, которые разделены между собой пластиковой оболочкой и обладает постоянным одинаковым сопротивлением на любом участке, при взрыве замыкание проводов происходит за счет реакции ионизации, что позволяет электрическому току приблизительно 5 В, формируемому встроенным аккумулятором DataTrapII, течь по контуру проводника и производить измерение сопротивление проводника.
Разработка мероприятий и рекомендаций по повышению качества дробления горной массы
Рассмотрим основные сведения о горно-геологических условиях месторождения, физико-механические свойства слагающих его пород и существующую технологию производства взрывных работ, представленную в «Типовом проекте на производство буровзрывных работ на карьере месторождения гранитов «Семиозерское КУ».
Общие сведения о месторождении. Карьер гранитов, разрабатываемый Гавриловским щебеночным заводом, принадлежащие Октябрьской ж. д. и отданный в аренду ЗАО «Семиозерское карьероуправление» расположен в северо-западной части Карельского перешейка на территории Выборгского района Ленинградской области, на расстоянии 20 км. от города Выборга.
Добыча гранитов в карьере производится буровзрывным способом с целью дальнейшего его дробления на щебень различных фракций, который используется для строительных работ. Годовый объем добычи - 350 тыс.м в плотном теле. Снятие вскрыши, подготовка блоков к бурению осуществляется механическим способом. Климат района умеренно-континентальный. Средняя температура года 7С, в летний период +15 - 17 С (июнь-август), в зимний период -7С - 8С (декабрь-февраль). Устойчивый снеговой покров наблюдается с ноября по март, средняя его высота 48 см. преобладающее направление ветра-западное. Максимальная глубина промерзания грунта зимой- 120см. Рельеф, геология и гидрогеология. Месторождение охватывает две возвышенности, разделенные болотистой впадиной. Абсолютные отметки поверхности находятся в пределах от 22,0 м до 45,0 м. Поверхность месторождения частично покрыта хвойными и лиственными лесами.
В строении полезной толщи месторождения доминируют гранитоиды, среди которых преобладают граниты и гранодиориты, в меньшей степени присутствуют кварцевые диориты, граносиениты, пегматиты и аплиты.
В массиве преобладают крутопадающие трещины северо-западного и северо-восточного простирания, располагаются трещины на расстоянии от 0,2 м до нескольких метров друг от друга.
Категория трещиноватости гранитов по МКВД-Ш-IV. Трещины, в основном, вертикальные, расстояние между ними 0,5-10 м. Граниты относятся к X группе грунтов по шкале СНиП. Коэффициент разрыхления - 1,5.
Вскрышные породы на не вскрытой карьером площади сложены суглинками, супесями, грубыми песками с включениями валунов, гальки и гравия до 30-40%, мелко- и тонкозернистыми песками, ленточными глинами и суглинками, глыбами, щебнем и дресвой, перемешанными с песчано-глинистым материалом, торфяно-болотными отложениями и почвенно-растительным слоем.
Мощность вскрыши изменяется от от 0 до 14,2 м.м, средняя - 4,3 м, в том числе почвенно-растительный слой - 0,2 м.
Граниты относятся к IX-X группе крепости по шкале СНиП. В различных частях карьера крепость гранита значительно меняется Объемный вес в плотном теле-2,7 т/м. Коэффициент разрыхления после взрыва- 1,6. Среднее водонасыщение -0,1%. Максимальное сопротивление сжатию - 2507 кг/см.
Категория по трещиноватости поКлассификацииМежведомственнойкомиссии по взрывномделу сьмакрупноблочные) породы III - IVкатегорий Акустическийпоказатель трещиноватости 0,4-0,6 Категория повзрываемости поМежотраслевойклассификации VI-VII Месторождение гранитов значительно обводнено. Питание грунтовых вод происходит в основном за счет фильтрации атмосферных осадков. Водоприток в карьер среднетрещиноватые(крупноблочные) и малотрещиноватые (ве в паводковые периоды достигает 580 м /час. Обводненность скважин -50%.
Горнотехнические условия разработки месторождения. В карьере принята система отработки с переменной рабочей зоной и внешними отвалами вскрышных пород. На вскрыше и добыче применяется цикличная технология с использованием экскаваторной погрузки и автомобильного транспорта.
Добычные работы ведутся на гор.+24,+12,-3,-18м. Разработка гранитов осуществляется с предварительным их рыхлением буровзрывным способом-методом вертикальных скважинных зарядов. Граниты отрабатываются уступами высотой от 10 до 15м. Средняя высота уступов-12м. Угол откоса рабочего уступа 80.
Бурение скважин производится станками СБШ-250 МН А-32 с диаметром долота 244,5мм, могут применяться долота диаметром 215,9мм.Питание буровых станков электроэнегией производится от электролинии карьера через передвижные трансформаторные подстанции и силовые распределительные шкафы. На карьере применяется автономный буровой станок типа Atlas Copko с диаметром коронки 115 и 125 мм. Схема расположения скважин представлена на рисунке
Общий выход негабарита составляет 7%. Дробление негабарита осуществляется методом накладных и шпуровых зарядов.
Существующая технология и параметры БВР на гранитных карьерах. Дробление горных пород на карьерах ОАО «Семиозерское КУ» осуществляются взрывным способом. Месторождения отрабатываются уступами высотой 12 м, план карьера представлен на рис. 39. Заряды ВВ размещаются в скважинах диаметром от 115 до 250 мм. Средний расход ВВ составляет от 0,9-1,2 кг/м . Схема инициирования и монтажа взрывной сети диагональная и диагонально-клиновая представлена на рисунках 40-41. В качестве забойки скважинных зарядов применяется буровой шлам.