Содержание к диссертации
Введение
1. Условия подготовки вскрыши взрывным способом и анализ научных подходов к повышению ее качества 18
1.1. Факторы, влияющие на качество подготовки пород при взрывной технологии 18
1.2. Горнотехнические и гидрогеологические условия ведения взрывных работ 28
1.3. Основные теоретические положения, обосновывающие качество подготовки вскрышных пород взрывным способом 33
1.4. Процессы, приводящие к разрушению горных пород при взрыве скважинного заряда 41
1.4.1. Взаимодействие продуктов детонации скважинного заряда с материалом забойки 53
1.4.2. Фугасное действие продуктов детонации скважинного заряда в процессе разрушения горного массива 61
1.5. Экологические аспекты взрывных работ на карьерах 65
1.6. Резервы повышения качества подготовки вскрышных пород к экскавации 81
Выводы 89
2. Теоретическое обоснование пространственно- временных параметров фугасного действия скважинного заряда с низкоплотной пористой забойкой 91
2.1. Обоснование взаимосвязи пространственно-временных параметров разрушения горного массива с параметрами взрывной волны скважинного заряда 91
2.2. Продолжительность взаимодействия продуктов детонации скважинного заряда, горного массива и низкоплотной забойки 98
2.3. Изменение пространственных параметров фугасного действия продуктов детонации скважинного заряда с низкоплотной забойкой 103
2.4. Обоснование показателей пылеподавления жидким компонентом низкоплотной пористой забойки 110
Выводы 120
3. Обоснование рационального содержания компонентов в пеногелеобразующем составе скважинного заряда 122
3.1. Выбор компонентов пеногелеобразующих составов 122
3.2. Лабораторная установка для получения пеногелей 124
3.3. Исследование влияния свойств пеногеля на эффект взрыва 128
3.3Л. Запирающее действие пеногелевой забойки 128
3.3.2. Подавление пыли и газов пеногелеобразующими составами 132
3.4. Исследование параметров зоны распространения пылегазовых продуктов взрыва в натурных условиях 137
Выводы 143
4. Исследование условий применения скважинных зарядов с использованием в них пеногеле образующих составов 144
4.1. Лабораторная установка для исследования процесса формирования скважинных зарядов 145
4.2. Исследование процесса формирования зарядов ВВ с пеногелевой забойкой в сухие скважины 147
4.3. Предварительное осушение скважин с использованием пенообразующих составов 150
4.4. Исследование процесса формирования скважинных зарядов с пеногелевой забойкой после осушения скважин 155
Выводы 157
5. Обоснование параметров буровзрывных работ при использовании скважинных зарядов с пеногелевой забойкой 159
5.1. Моделирование массива вскрышных пород 159
5.2. Численное моделирование эффективности взрывного разрушения при использовании в конструкции скважинного заряда пеногелеобразующих составов 162
5.3. Разрушение песчано-цементных моделей зарядами ВВ
с пеногелевой забойкой 167
5.4. Методика проведения натурных исследований 172
5.5. Исследование параметров разрушения вскрышных пород скважинным зарядом с пеногелевой забойкой 173
Выводы 182
6. Разработка технологии и механизации взрывных работ с использованием пеногелеобразующих составов 185
6.1. Технологические схемы ведения взрывных работ 185
6.2. Организация труда взрывников 197
6.3. Комплексная механизация взрывных работ с использованием пеногелеобразующих составов 202
Выводы 210
7. Опытно-промышленная проверка и технико- экономическая оценка технологии взрывных работ с использованием пеногелеобразующих составов 212
7.1. Методика проведения опытно-промышленной проверки 212
7.2. Результаты опытно-промышленной проверки технологических
и технических решений 216
7.3. Оценка экономической целесообразности применения технологии взрывной подготовки горной массы с использованием пеногелеобразующих составов 226
Выводы 233
Заключение 235
Список литературы
- Основные теоретические положения, обосновывающие качество подготовки вскрышных пород взрывным способом
- Продолжительность взаимодействия продуктов детонации скважинного заряда, горного массива и низкоплотной забойки
- Исследование влияния свойств пеногеля на эффект взрыва
- Исследование процесса формирования зарядов ВВ с пеногелевой забойкой в сухие скважины
Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективность добычи полезных ископаемых открытым способом достигается обоснованным выбором технологии и, в частности, взрывной, которая предусматривает использование энергии взрыва, определяющей в значительной степени качество подготовки горной массы к выемке. Качество подготовки вскрышных пород взрывным способом часто оценивается равномерностью гранулометрического состава, параметрами распределения кусков в развале и параметрами развала, которые в совокупности влияют на технико-экономические показатели последующих технологических процессов.
Управление качеством взрывной подготовки основано на закономерностях, описывающих взаимодействие продуктов детонации (ПД) заряда взрывчатого вещества (ВВ) с окружающей его средой - горным массивом и материалом забойки. Существующие средства и методы управления качеством взрывной подготовки вскрышных пород распространяются, главным образом, на зону регулируемого дробления, которая подвергается активному, совокупному воздействию всех компонентов взрыва - ударных волн, прямых и отраженных волн напряжений, газообразных продуктов детонации. Эта часть массива снизу ограничивается плоскостью подошвы взрываемого уступа, а сверху некоторой поверхностью, образованной зонами разрушений породы от предыдущего взрыва. Это слой породы от 2 до 4 м в кровле горизонта, который по существующей терминологии является зоной нерегулируемого дробления. Интенсивность волн напряжений здесь ослабляется в связи с резким их затуханием, а фугасного действия взрыва оказывается недостаточным для равномерного дробления породы и поэтому наблюдается выход негабаритных фракций.
Ежегодно только в Кузбассе для подготовки горной массы к выемке бурится до 15 млн. м скважин, расходуется до 220 тыс. т промышленных взрыв-чатых веществ. При ежегодной взрывной подготовке около 250 млн. м
7 вскрышных пород, в слой зоны нерегулируемого дробления попадает до 55 млн. м . Несмотря на постоянную тенденцию к увеличению удельного расхода ВВ выход негабарита составляет 400-550 тыс. м3 в год. Это обстоятельство требует до 17-20 млн. рублей дополнительных затрат на вторичное дробление. Повышается экологическая нагрузка на окружающую среду, поскольку удельный расход ВВ при вторичном дроблении накладными заряда-ми достигает 2 кг/м .
Единственная возможность повысить качество подготовки горной массы в зоне нерегулируемого дробления заключается в усилении фугасного действия взрыва за счет увеличения времени воздействия на массив продуктов детонации.
Одним из средств задержки истечения газообразных продуктов детонации, расширившихся при взрыве, является забойка. Забойка скважин считается одним из основных факторов, влияющих на качество взрывных работ. Она препятствует преждевременному истечению продуктов детонации из устьев скважин, что увеличивает на 20-25 % долю энергии взрыва, используемой полезно, а также способствует более полному протеканию химических реакций. Это позволяет снизить образование вредных газов на 25-30 %. Особенно важным это обстоятельство становится при применении простейших аммиачно-селитренных ВВ с относительно низкими скоростями детонации.
Из большого разнообразия материалов, исследованных к настоящему времени в качестве забойки с учетом конструкций скважинных зарядов, наибольшее распространение в производственных условиях нашли:
— сплошная забойка буровой мелочью, осуществляемая вручную или
механизированно;
- гидрозабойка, образующаяся, в основном, за счет естественного при
тока из обводненного массива.
Несмотря на то, что эти виды забоек привлекательны относительно невысокими затратами при выполнении, а их величина в конкретных горно-
8 геологических условиях обосновывается с учетом максимально возможного охвата взрываемого массива дробящим действием зарядов ВВ, конструктивно они предопределяют свой основной недостаток, состоящий в уменьшении той части массива, которая подвергается совокупному активному воздействию продуктов детонации.
Опыт применения на рудных карьерах взрывной технологии с использованием в качестве забойки твердых, пористых материалов (древесных опилок, шлака и пенополистирола) наглядно свидетельствует о повышении качества дробления пород. Однако, несмотря на свои преимущества по повышению качества подготовки пород к экскавации, пористые материалы, применяемые в качестве забойки, как и буровая мелочь, способствуют повышению экологической опасности взрывных работ. Это обстоятельство, в свою оче-редь, требует проведения дополнительных инженерно-технических мероприятий, связанных с подавлением пылегазовых выбросов. На выполнение этих мероприятий требуются значительные затраты материальных и трудовых ресурсов.
Уже при существующих объемах взрывных работ на разрезах Кузбасса ежегодно в атмосферу выбрасывается до 15 тыс. тонн пыли. Этот фактор ощутимо влияет на экологическую обстановку в регионе. В перспективе его значимость будет еще более возрастать. Поэтому целесообразно, на наш взгляд, рассматривать и более широкую категорию качества — качество взрывных работ, которое характеризуется не только параметрами определяющих качество подготовки горной массы к выемке, но и совокупностью показателей, связанных с экологическими последствиями взрывных работ -размерами зоны рассеивания вредных примесей пылегазового облака (ПГО) и их концентрацией в атмосфере.
В условиях рыночной экономики затраты на взрывную подготовку вскрыши являются одним из основных элементов себестоимости добычи твердых полезных ископаемых открытым способом, поэтому снижение за-
9 трат на буровзрывные работы при повышении качества взрывных работ несомненно даст положительный эффект.
При выборе научного направления по интенсификации процесса взрывной подготовки вскрыши целесообразно ориентироваться не только на разработку технологических решений по приготовлению и использованию в конструкции скважинных зарядов низкоплотных пористых забоечных материалов на основе пеногелей, использование которых позволяет механизировать забойку, но и на борьбу с экологическими последствиями массовых взрывов. Пеногели одновременно обладают свойствами усиления фугасного действия взрыва и пылеподавления, поскольку содержат в своем составе во-
ДУ-
Наличие воды во взрывных скважинах характерно для большинства
карьеров. Осушение взрывных скважин перед размещением в них зарядов, позволяет в ряде случаев, использовать в них более дешевые неводоустойчивые ВВ и реализовать возможность рационального использования воды, удаленной из скважин, для приготовления пеногелевой забойки.
Веским доводом целесообразности использования пеногелеобразую-щих составов при ведении взрывных работ является возможность приготовления забойки из доступных материалов, с помощью модернизированных осушающих машин.
В этой связи научно-техническое обоснование повышения качества взрывных работ, предусматривающее не только качественную взрывную подготовку пород за счет расширения величины зоны регулируемого дробления, но и одновременное снижение вредных выбросов в атмосферу, представляется важной проблемой, решение которой позволит повысить эффективность открытой геотехнологии в целом, а потому имеет большое практическое и социальное значение.
Эти обстоятельства обусловили актуальность темы исследований, цель, задачи, структуру и содержание диссертационной работы.
10 ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИИ - массив вскрышных пород в условиях открытых горных работ, подвергающийся подготовке к экскавации скважин-ными зарядами, при формировании которых используются пеногелеобра-зующие составы.
ЦЕЛЬ - обоснование и разработка способов и средств повышения качества подготовки вскрышных пород взрывным способом при одновременном снижении его негативных экологических последствий.
ИДЕЯ работы заключается в использовании свойства низкоплотных пористых забоек на основе пеногелеобразующих составов повышать качество подготовки вскрышных пород взрывным способом с последующим подавлением пыли, инициируемой взрывом, жидким компонентом забойки.
ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются взаимосвязи свойств пеногелеобразующих составов, в которых изменяется соотношение газообразного и жидкого компонентов, с качеством взрывных работ на карьерах.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:
исследовать и установить закономерности изменения пространственно-временных параметров фугасного действия продуктов детонации сква-жинных зарядов ВВ с низкоплотной пористой (пеногелевой) забойкой;
обосновать рациональное соотношение газообразного и жидкого компонентов в пеногелеобразующем составе, используемом для формирования . неактивной части скважинного заряда, который обеспечивает увеличение времени задержки выброса газообразных продуктов детонации и эффективность пылеподавления;
исследовать условия применения скважинных зарядов с пеногелевой забойкой;
обосновать рациональные параметры буровзрывных работ, обеспечивающих заданное качество дробления и снижение зоны распространения пыли;
разработать технологию подготовки вскрышных пород взрывным способом с использованием пеногелеобразующих составов с заданным соотношением исходных компонентов;
- определить основные параметры и технико-экономические показате
ли технологии ведения взрывных работ на карьерах с использованием пено
гелеобразующих составов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:
системный анализ и обобщение результатов теоретических исследований, лабораторных, стендовых и промышленных экспериментов;
математическое и физическое моделирование процесса подготовки горного массива взрывным способом при использовании пеногелеобразующих составов в качестве забойки;
лабораторные методы исследования с использованием взрывных камер и специально изготовленных стендов;
сейсмическое зондирование зоны разрушения массива;
фотопланиметрический метод оценки гранулометрического состава взорванной горной массы;
видеосъемка процессов формирования и динамики развития пылега-зового облака;
статистические методы обработки результатов наблюдений.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
- увеличение времени воздействия продуктов детонации скважинных
зарядов происходит в результате пережатия неактивной части скважин поро
дой, которое обусловлено более интенсивным затуханием ударной волны в
низкоплотной пористой забойке; пережатие величиной 20—30 радиусов заря-
12 да начинает формироваться на расстоянии 2-3 радиусов заряда от границы раздела «ВВ-забойка»;
рациональное объемное соотношение газообразного и жидкого ком- . понентов в пеногелевой забойке, обеспечивающее заданное качество дробления горного массива и максимально возможную при этом эффективность подавления пыли, составляет 2:1; при этом задержка времени до начала истечения продуктов детонации увеличивается в 1,85 раза, а зона эффективного рассеивания пыли снижается в 1,8-2 раза;
применение скважинных зарядов ВВ с пеногелевой забойкой целесообразно в условно сухих и в предварительно осушенных скважинах с высотой столба воды до половины ее высоты при притоке, не превышающем 700 л/ч, с уплотнением заряда ВВ и забойки не более чем на 7-10 %;
- ведение взрывных работ с пеногелеобразующими составами позво
ляет расширить параметры сетки скважин (в зависимости от категории по
род по блочности) по сравнению с использованием забойки из буровой мело
чи в 1,1-1,2 раза;
- технология подготовки вскрышных пород взрывным способом на
карьерах с использованием пеногелеобразующих составов осуществляется
при помощи осушающе-забоечной машины, которая позволяет удалять
до 89 % воды из скважин и приготовлять 25 м3 растворов исходных компо
нентов пеногелеобразующих составов с последующей забойкой до 230 сква
жин в смену;
.— эффективность технологии ведения взрывных работ с использованием пеногелеобразующих составов обусловлена снижением в 1,2—1,3 раза среднего диаметра куска взорванной горной массы на поверхности развала и повышением производительности экскаваторов на 18 %.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:
- в аналитическом обосновании изменения пространственно-
временных параметров взрывной волны в горном массиве и материале забой-
13 ки, определяющих время воздействия продуктов детонации и величину пережатия скважины, взаимосвязь которых способствует усилению фугасного эффекта;
экспериментально установленном эффекте сдерживания выброса продуктов взрыва и снижения концентрации пыли при использовании в конструкции скважинного заряда низкоплотной забойки с рациональным объемным содержанием пеногелеобразующих компонентов, воды и воздуха;
экспериментальном определении производственных условий, в которых использование пеногелеобразующих составов эффективно;
обосновании рациональных параметров буровзрывных работ при использовании пеногелеобразующих составов для забойки скважин;
обосновании способов использования пеногелеобразующих составов и технических решений, обеспечивающих их применение при ведении взрывных работ на карьерах;
оценке эффективности разработанной технологии по параметрам, характеризующим качество подготовки вскрышных пород к экскавации и производительности выемочно-погрузочного оборудования.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПОДТВЕРЖДАЕТСЯ:
использованием современных, широко апробированных лабораторных методов и аппаратуры;
сопоставимостью результатов представительного объема лабораторных исследований, натурных наблюдений и экспериментов на разрезах Кузбасса в различных горно-геологических условиях;
сходимостью расчетных и фактических значений параметров, характеризующих зоны дробления массива и рассеивания ПГО при взрывании скважинных зарядов с пеногелевой забойкой;
положительными результатами опытно-промышленных испытаний технологии ведения взрывных работ с пеногелеобразующими составами.
14 ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА ЗАКЛЮЧАЕТСЯ:
— в выборе направления и постановке задач повышения качества взрыв
ной подготовки горной массы в зоне нерегулируемого дробления;
обосновании взаимосвязей параметров, характеризующих фугасное действие взрыва скважинного заряда, с переменным объемным содержанием воздуха, защемленного в материале низкоплотной пористой забойки;
определении рационального состава пеногелевои смеси;
установлении закономерностей изменения технологических характеристик пеногелевои смеси в зависимости от условий ее применения, а также показателя эффективности удаления воды из скважин смесью сжатого воздуха с пенообразующим веществом в зависимости от соотношения сечений за-трубного пространства скважины и шланга, подающего смесь;
определении эффективности снижения запыленности атмосферы по длине зоны рассеивания при взрыве заряда ВВ с пеногелевои забойкой;
обосновании и разработке технических и технологических решений, обеспечивающих эффективное применение пеногелеобразующих составов в производственных условиях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит . в том, что применение:
способа забойки взрывных скважин, основанного на установленных закономерностях изменения параметров ударных волн в низкоплотных забоечных материалах и горном массиве, позволяет использовать пеногель в качестве забойки;
лабораторных стендов позволяет имитировать горный массив, приток воды и ее удаление из скважин, что дает возможность исследовать условия применения скважинных зарядов с пеногелевои забойкой;
установленных зависимостей изменения радиусов зоны разрушения массива горных пород различных категорий по блочности позволяет увеличить параметры сетки скважин;
технических средств обеспечивает возможность использования пено-гелевых составов с заданными параметрами для удаления воды из скважин и приготовления пеногелевой забойки;
пеногелевой забойки при взрывных работах в условиях разрезов Кузбасса обеспечит повышение производительности экскаваторов на 18 %, а снижение зоны рассеивания мелкодисперсной пыли пылегазового облака в 1,8-2 раза.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Научные обоснования и выводы, полученные в результате исследований, использованы при разработке технических заданий на изготовление:
лабораторной установки по определению характеристик устойчивости скважинных зарядов в обводненных условиях;
стенда для определения возможности удаления воды из скважин сжатым воздухом с пенообразующим веществом;
машины для пеногелевой забойки взрывных скважин (МПЗ);
машины для удаления воды и пеногелевой забойки взрывных скважин (МОЗ).
Разработаны «Технические условия на пеногелевую забойку взрывных скважин для открытых горных работ» ТУ 12.017 3987.001-92.
Разработано «Руководство по приготовлению и применению пеногелевой забойки взрывных скважин на открытых горных работах», утвержденное ОАО «Взрывпром юга Кузбасса».
Результаты исследований используются в Кузбасском государственном техническом университете при чтении курса лекций по дисциплинам «Технология и безопасность взрывных работ» и «Горное дело и окружающая среда», а также при дипломном проектировании по специальности «Открытые горные работы».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались на электронной конференции МЭИ «Топливо и энергетика» научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2002 г.); X Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004» (Кемерово, 2004 г.); Международных научно-практических конференциях «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2004-2005 гг.); VI Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» (Кемерово, 2005 г.); заседании расширенного научно-технического семинара отдела открытых горных работ ФГУП «ВНИИПИпромтехнологии» (Москва, 2007 г.); на технических совещаниях при главных инженерах угольных разрезов «Краснобродский», «Бачатский», «Кедровский», ОАО «Взрывпром юга Кузбасса» и на карьере «Мурунтау» (1991-2006 гг.).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований опубликованы в 26 печатных работах, включая 6 авторских свидетельств и один патент на изобретение.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и приложений, изложена на 255 страницах и содержит 22 таблицы, 73 иллюстрации и список использованной литературы из 188 наименований.
Основная часть экспериментальных исследований выполнялась в специализированных лабораториях института «ВостНИИ» и на экспериментальном участке ОАО «Взрывпром юга Кузбасса». Производственно-экспериментальная часть работы проводилась на разрезах «Кедровский», «Краснобродский», «Бачатский» и «Сибиргинский». В настоящее время технические и технологические решения внесены в план перспективного развития карьера «Мурунтау» (Узбекистан).
17 Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук А.А. Сысоеву, полезные консультации которого позволили улучшить содержание работы, кандидатам технических наук В.П. Доманову, М.П. Ворошилову, В.И. Тимошину за помощь и участие в проведении экспериментальных исследований.
Основные теоретические положения, обосновывающие качество подготовки вскрышных пород взрывным способом
Основные, наиболее широко известные и ставшие классическими теории, объясняющие возможность управления процессом подготовки вскрышных пород взрывным способом, построены с учетом свойств ВВ.
Существующие промышленные ВВ, при их изготовлении характеризуются установленными для них параметрами, в т.ч. скоростью детонации при соответствующей плотности ВВ, теплотой взрыва, удельным объемом газов и др. (табл. 1.3.1).
М.А. Кук [96] указывает на существование трех основных теорий взрывного разрушения горных пород взрывом.
Ударно-волновая теория или теория воронкообразования. Основными элементами ударно-волновой теории являются импедансы ВВ и породы, определяющие роль отраженных волн в механизме разрушения [178, 181, 188].
Теория радиального трещинообразования, разработанная группой шведских ученых [185], в которой определяющая роль в механизме разрушения отводиться волне сдвига на ранней стадии распространения ударной волны и последующему развитию радиальных трещин. Считается, что эта теория тоже ударно-волновая, хотя роль откольных разрушений у свободной поверхности в ней сводится к минимуму.
Третья теория известна под названием энергетическая [182, 187]. По этой теории давление продуктов детонации сжимает взрываемый массив, приводя его в напряженное состояние, облегчающее последующее дробление, и создавая в массиве скоростное поле, благоприятствующее наступлению заключительной стадии первичного дробления.
Некоторые теории взрывного разрушения горной среды, основываются на утверждении, что при взрывных нагрузках твердые тела должны течь, т.е. подчиняться законам пластичности. В этом случае для теоретического описания поведения среды пользуются математическим оператором механики сплошной среды, в частности гидродинамики.
Первая попытка описать процесс разрушения массива горных пород под действием взрыва в случае неоднородности среды встречается в работах [111, 112]. Исходя из основных положений энергетической теории взрыва, М.В. Мачинский объясняет возникновение трещин в слабых местах взрываемого массива, как результат действия волны напряжения, после прохождения которой, трещины продолжают развиваться и в какой-то момент времени смыкаются, в результате чего горная порода оказывается раздробленной.
Физически глубоко обоснованные представления качественной картины действия взрыва на среду изложены в работах [142-144] Г.И. Покровского, в которых рассматривая положение автомодельности распространения ударных волн при взрыве и основные энергетические зависимости, установ лен ряд параметров ударной волны, возникающей в среде при взрыве сферического заряда ВВ. Этими параметрами являются максимальное значение избыточного давления волны сжатия в твердой среде и время его действия в волне сжатия.
Основными предпосылками гидродинамической гипотезы О.Е Власова являются: несжимаемость среды, представление горной среды как идеальной жидкости, мгновенное распространение энергии взрыва в среде. Полагая, что энергия взрыва сообщается горной среде в виде кинетической энергии, движение несжимаемой среды выражается в виде известных уравнений гидродинамики идеальной жидкости [38 40]:
Продолжительность взаимодействия продуктов детонации скважинного заряда, горного массива и низкоплотной забойки
Известно, что забойка скважин инертным материалом способствует по-вышению длительности воздействия давления продуктов взрыва на стенки зарядной камеры и передачи энергии ВВ в среду. Забойка, с физической точ- ки зрения, является одной из основных составляющих управления энергией взрыва за счет изменения времени передачи энергии продуктов детонации окружающей среде. Действие забойки необходимо до тех пор, пока стенкам зарядной камеры и забойке, как неподвижной преграде, будет передан весь импульс взрыва. Обычно импульс взрыва сообщается неподвижной преграде за весьма короткий промежуток времени, определяемый временем распространения по заряду волны разряжения, отраженной от стенок зарядной камеры и торца заряда, примыкающего к забойке. В тоже время волна разрежения может пройти по заряду и в том случае, когда зарядная камера сообщается с открытой поверхностью серией распространяющихся трещин. При ско 99 рости роста трещин в предельном режиме их распространения (близкой к скорости волны Релея) и расстоянии до открытой поверхности W существует условие, при котором максимальная длительность импульса взрыва определяется временем действия продуктов детонации на горный массив и его разрушения [125]: Щ1С Ко где t - время разрушения массива, V - скорость образования трещин (V 0,5 С ); С - скорость продольной волны в массиве.
Образование трещин до свободной поверхности, либо выброс забойки соединяет газовую камеру с атмосферой, в результате чего давление ПД резко падает и эффект фугасного действия взрыва снижается.
В этом смысле идеальная роль забойки в том, чтобы запереть газообразные продукты взрыва в скважине до момента образования трещин от газовой камеры до открытой поверхности.
Тогда условие эффективности забойки определяется: эф= сжН С2 2-2) где t — время, в течение которого происходит сжатие забойки; t — время движения забойки в скважине после сжатия.
Время сжатия забойки, представляющей многокомпонентную смесь, можно определить исходя из условия ее сжимаемости. Поскольку поведение многокомпонентной среды определяется одним уравнением, которое на основании исследований [106] учитывает не только давление и объем, но и их производные по времени, что связано с учетом влияния скорости деформирования на уравнение сжимаемости среды.
Работа ударной волны, совершаемая над областью среды, содержащей воздух в виде пузырьков, состоит в перенесении значительной части энергии волны в энергию пузырькового слоя. Из исследований [19, 51, 93, 179] уста 100 новлено, что если энергоемкость пузырьковой среды довести за счет ее размеров или концентрации газа в ней до значений, превышающих энергию падающей ударной волны, то через такой слой ударная волна вообще не пройдет.
Плоская волна, проходящая через слой пузырьковой среды, занимающей поперечное сечение скважины, ограничена жесткими стенками. При рассмотрении возможного варианта взаимодействия фронта волны со слоем многокомпонентной среды, совместим направление распространения фронта волны с осью ОХ (рис. 2.2.1).
Передняя стенка слоя пузырьковой среды на границе Т раздела «ВВ-пузырьковая среда» в начальный момент времени имеет координату х0, а задняя х{. При падении ударной волны с амплитудой Рн на пузырьковый слой, его передняя стенка в результате отражения волны, начнет перемещаться в направлении движения прошедшей волны Р и сжимать пузырьковый слой. Отраженная волна разряжения характеризуется уравнением движения, определяемым из условия инвариантности функции [93]: 101 G = CO + V /2 вдоль характеристики, распространяющейся со скоростью CQ—V, где СО - приращение энтальпии; V — массовая скорость. Тогда согласно [93]: Gl-(C0-V)Gx=0, (2.2.3) dV и doo dt Cn dt (2.2.4) Давление в пузырьковой среде определяется выражением: np=/o[V( i- o)T (2-2.5) где Р - давление в прошедшей волне; Р0 - начальное давление в среде. Если профиль волны задан в виде треугольника Pytj с положительной фазой т, а энтальпия записана как: = Pol\_Fnp-p(t)], (2.2.6) тогда первый интеграл уравнения (2.2.5) определит выражение для текущей (2.2.7) скорости передней стенки пузырькового слоя:
Исследование влияния свойств пеногеля на эффект взрыва
Исследования по способности пеногелеобразующих составов влиять на изменение концентрации в атмосфере вредных примесей при взрыве заряда ВВ проводилось на установке, состоящей из герметичной взрывной камеры объемом 7 м3, оснащенной электродами для инициирования электродетонатора, канальной мортиры по ГОСТ 7140-81, штуцером для отбора проб и системой проветривания (рис.3.3.2.1).
В процессе экспериментов определялась остаточная запыленность и загазованность воздуха во взрывной камере. Заряд ВВ из аммонита № 6 ЖВ мае сой 100 г диаметром 32 мм размещался в бумажном патроне диаметром 50 мм в окружении сухого песка массой 200 г. В мортире он располагался на расстоянии около 0,5 м от устья. Забоечный материал помещался в полиэтиленовую оболочку диаметром 45 мм. В качестве забоечного материала проверялись песок и пеногель с содержанием воздуха а\ — 0 -1,0 дол. ед.. Проведено две серии экспериментов, в т.ч.: - при равных объемах забойки (150; 200 и 300) -103 мм3; - при равных массах забойки (150; 200 и 300 г).
Для определения остаточной концентрации пыли в атмосфере штрека использовался прибор «АЭРА» с бумажными фильтрами. Через 10 с после взрыва на уровне оси штрека на расстоянии 1 м от люка в течение 15 с проводили прокачивание запыленного воздуха. Запыленность воздуха при взрывании без забойки, что соответствует объемному содержанию воз-духа «і = 1,0 дол. ед., в среднем составляла Сп= 4,72 г/м . Песок, используемый в качестве забойки, увеличивают запыленность воздуха в камере в сравнении с взрывами без забойки на 35-40 %.
Поскольку масса гидрозабойки практически совпадает с ее объемом, то и объемное содержание воздуха а\ = 0 дол. ед. Сравнение пылеподавляющей способности пеногелей и гидрозабойки (при одинаковах массах) проведено на основании серии экспериментов (из трех опытов в каждой серии) по методике, описанной выше (табл. 3.3.2.1).
Из анализа полученных результатов (табл. 3.3.2.1) видно, что примене-ниє в качестве забойки воды в объеме (150, 200, 300)-10 мм позволяет снизить запыленность воздуха соответственно на 50-75 % .
Установлено, что остаточная запыленность воздуха в штреке снижается пропорционально увеличению объема пеногелевой забойки фиксированной кратности. При увеличении кратности пеногеля остаточная запыленность (при использовании равных объемов забойки) — увеличивается. Поэтому для достижения остаточной концентрации на заданном уровне необходимо уве личивать объем пеногелевой забойки пропорционально содержанию в ней воздуха.
Пеногелевая забойка с содержанием воздуха 0Ц = 0,82 дол. ед. в таких же объемах позволяет снизить запыленность соответственно на 47, 63 и 71 %. В том случае, когда масса водяной и пеногелевой забойки были одинаковыми, установлено явное преимущество пеногеля.
Изменение величины остаточной концентрации пыли в камере при взрывах с забойкой на жидкой основе относительно начальной концентрации . пыли в камере при взрывах без забойки позволил получить коэффициент пылеподавления 7] (рис. 3.3.2.2). В лабораторных условиях 7] достигает максимально возможной величины равной 0,81 дол. ед. Наиболее интенсивное уменьшение 77 имеет место при содержанииСС\ 0,6-Ю,7 дол. ед. [85], что согласуется с результатами других авторов [30, 58].
При определении остаточной загазованности воздуха при взрыве заряда аммонита № 6 ЖВ массой 500 г забойка объемом 300 -10 мм размещалась над зарядом ВВ в полиэтиленовой оболочке. Отбор проб газа производился через 600 с после взрывания с последующим анализом оксидов азота фотоколориметрическим методом, а оксида и диоксида углерода — хроматографи-ческим методом. Твердая забойка (песок) в условиях эксперимента практически не влияет на изменение содержания газов по сравнению со взрывами ВВ без забойки. Способность материала забойки на жидкой основе влиять на остаточную загазованность воздуха в камере оценивалось по данным химического анализа (табл. 3.3.2.2).
В результате экспериментов получено снижение содержания оксидов азота (в сумме) примерно на 40 % и увеличение в несколько раз содержания оксида углерода. Последнее можно объяснить тем, что в условиях экспери 136 мента компоненты аммонита № 6 ЖВ не полностью реагируют при разлете продуктов детонации. Пеногель, используемый в качестве забойки, охлаждает газы взрыва и тормозит вторичные реакции. Использование воды в качестве забойки в условиях эксперимента также как и пеногель приводит к существенному увеличению содержания оксида и диоксида углерода в газах взрыва.
Исследование процесса формирования зарядов ВВ с пеногелевой забойкой в сухие скважины
Таким образом, численное моделирование позволяет прогнозировать изменение радиуса зоны разрушения модели с сопоставимым качеством разрушаемого материала. Пеногель, используемый в конструкции скважинного заряда, позволяет управлять параметрами фугасного действия взрыва. При рациональном соотношении компонентов в пеногеле радиус зоны разрушения модели должен увеличиться по сравнению с использованием в конструкции заряда твердой забойки примерно в 1,2 раза.
Целью этой части лабораторных экспериментов являлось исследование особенностей разрушающего действия шпуровых зарядов с забойкой из пе ногелеобразующих составов с рациональным соотношением в них объемной концентрации воздуха и жидкости. Заряды во всех экспериментах формировались идентично. В шпур 3 (рис. 5.3.1) диаметром 6,6 мм и длиной 160 мм, расположенный вертикально в центре модели 2, вводился заряд ТЭНа весом 1,03 г, занимающий по высоте шпура 28 мм. Таким образом, заряд ВВ размещался в средней части центрального кубика.
Одновременно с формированием шпурового заряда в него устанавливается инициатор. На торцовую часть заряда ВВ сверху наносилась капелька клея БФ-6, который высушивался в течение 15 минут. На образовавшуюся пленку в незаряженную ВВ часть шпура длиной 130 мм размещалась забойка. По теории подобия и размерностей при моделировании действия взрыва в среде должны соблюдаться граничные условия. С этой целью модель устанавливалась в специальную цементно-песчаную оболочку размером 556x556x855 мм, изготовленную из того же состава, что и элементы модели. Модель в оболочке размещалась так, чтобы имитировались две обнаженные поверхности уступа (верхняя и боковая). Кубики в модели располагались вплотную к задней стенке оболочки, а свободное пространство между правой и левой стенками оболочки и моделью заливалось раствором гипса.
Взрывание моделей проводилось в металлической камере размером 1,4x1,4x1,0 м, обшитой внутри латексом, предотвращающим дробление кусков при соударении их со стенками.
Для получения достоверных результатов было подготовлено 6 моделей. В трех моделях формировался заряд ВВ с твердой забойкой из просеянного сухого песка с крупностью зерен 1-2 мм, а в других трех моделях с заполнением незаряженной ВВ части шпура пеногелем с соотношением объемного содержания воздуха и жидкости 2:1.
Для изучения влияния материала забойки на изменение параметров волны напряжений предусматривалось измерение амплитуды импульса. Амплитуда импульса на осциллограммах характеризует радиальные напряжения в условных единицах (мм). Для замера радиальных напряжений в модели на ее боковой поверхности, параллельной оси заряда, наклеивались проволочные тензодатчики с базой 18 мм и сопротивлением 200,5 Ом. В параллельной цепи (для определения базы сравнения) тензодатчик закреплялся на кубике, установленном вне модели. Датчики подключались через тензоусилитель УТ- 4 к гальванометру М. 001.4 осциллографа Н-700 (рис. 5.3.2.)..
Результаты измерения радиальных напряжений на относительном расстоянии 36 г0 указывают на увеличение амплитуды волны напряжений на 5-8 % по сравнению с взрывами с твердой забойкой.
Внешний осмотр моделей после взрыва позволил выявить некоторые закономерные изменения формы моделей. Так при взрывах моделей с твердой забойкой вокруг устья шпура образовывалось вздутие величиной до 5 мм поверхности центрального элемента, а при пеногелевой забойке примерно такой же величины конусообразный выброс раздробленных элементов.
При оценке размеров зоны дробления ее граница определялась по видимым трещинам в середине модели на уровне центра заряда. Визуальными наблюдениями и измерениями установлено, что при взрывании моделей зона разрушения имела крестообразную форму, причем максимальный размер разрушения наблюдался в направлении боковой открытой поверхности полупространства, а минимальный размер в направлении прилегания модели к оболочке. Наиболее интенсивное дробление наблюдалось в пределах центрального кубика, в котором располагался заряд.
В центре моделей ясно выделялась расширившаяся полость диаметром -до 20 мм, а остальная часть кубика практически полностью был раздроблена. Раскалывание элементов следующего ряда наблюдалось в основном по радиальным трещинам, распространявшихся перпендикулярно ребрам элементов модели. В моделях с пеногелевой забойкой видимые разрушения и трещины от центра взрыва достигали величины 109 мм, а некоторые трещины распространялись до открытой поверхности. При твердой забойке большая часть трещин достигала плоскости «естественной трещиноватости» второго ряда от центра взрыва, частично разрушая третий ряд. Неразрушенные элементы модели отбирались, а остальная часть раздробленных элементов подвергалась ситовому анализу. Раздробленный взрывом материал модели сортировался по классам крупности: 1; 1-3; 3-5; 5-10; 10-20 и 20 мм. Фракции более 20 мм отбирались и сортировались с помощью шаблонов, а мелкие, менее 20 мм отбирались методом ситового анализа. Фракции ± 71мм принимались в соответствии с размером диагоналей кубиков.
В качестве критерия кусковатости при оценке дробления принимались два показателя, в т.ч. выход дробленого продукта по фракции и диаметр среднего куска.
