Результат интеллектуальной деятельности: ВЗРЫВНОЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ НЕГАБАРИТНЫХ БЛОКОВ

Изобретение относится к производству взрывных работ для разрушения негабаритных блоков пород средней и ниже средней крепости.

Для разрушения негабаритных блоков применяются различные методы, отличающиеся разнообразием видов прилагаемой энергии и принципов приложения сил. По виду прилагаемой энергии различают механические и взрывные методы, а по принципу приложения сил - контактные и шпуровые [1, 2].

На карьерах 90% дробления негабаритных блоков производится взрывным способом. В основном применяются способ накладных зарядов и способ шпуровых зарядов. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки.

Наибольшее распространение из взрывных способов разрушения негабаритных блоков получил способ с бурением шпуров и размещением в них взрывчатого вещества (ВВ). Разрушение негабаритных блоков по этому способу производится взрыванием зарядов в мелких шпурах, глубина которых составляет 1/2 … 1/3 толщины куска. Заряд обычно занимает от 1/4 до 1/3 длины шпура, а оставшаяся часть заполняется забойкой. В зависимости от размеров и формы куска бурится различное количество шпуров. Инициирование зарядов производят электродетонаторами или нитями детонирующего шнура (ДШ) [3].

Недостатками этого способа разрушения негабаритных блоков является сильное переизмельчение и значительный радиус разлета кусков породы, повышенная трудоемкость, обусловленная бурением шпуров на 1/2-1/3 толщины куска, при этом сложность бурения увеличивается с заглублением бурового долота в негабаритный блок (сложность удаления бурового шлама, зажимы и заклинивание бурового инструмента в породе), использование заводских ВВ, выполнение забоечных работ с применением специального забоечного материала. Все это ведет к снижению эффективности действия данного способа.

Известна технология производства работ при способе разрушения негабаритного блока с использованием насыпных наружных зарядов [4]. Она состоит в следующем. ВВ помещают на поверхности негабарита, располагая его слоем 3-3,5 см, подводят инициатор (электродетонатор или нить ДШ). После этого заряд накрывают, забойкой, как правило, из песка, глины, отсева, слегка уплотняют и производят взрывание. Этот способ применяют при разрушении негабаритного блока относительно небольших размеров (до 1 м³).

Основными недостатками этого способа разрушения негабаритных блоков является сильное переизмельчение породы на контакте заряда с породой и, как правило, использование дорогостоящих промышленных ВВ. Возникновение при взрыве мощной воздушной ударной волны, значительный радиус разлета кусков породы, необходимость использования значительного объема забоечного материала при формировании накладного заряда на негабаритном блоке и относительно небольшой размер разрушаемых негабаритов делают этот способ неэффективным.

Известны способы взрывного разрушения негабаритов с использованием полого заряда направленного действия, в котором в качестве ВВ используется аммиачная селитра (АС) или какое-либо другое ВВ с замедленным действием (GB №1243647, F42D 7/00, 1971). Заряд размещается в корпусе формы усеченного конуса, имеющего конусообразный вкладыш, который изготавливается из листового металла. Полый заряд может быть использован для проведения взрывов как на земле, так и в воде.

Недостатком данного способа является необходимость изготовления специального герметичного дорогостоящего корпуса при использовании в качестве ВВ аммиачной селитры, при этом возникает необходимость применения и более мощного промежуточного детонатора. Кроме того, способ полого заряда направленного действия применим для дробления негабаритных блоков относительно небольших размеров, что характеризует его низкую эффективность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ гидровзрывного разрушения негабаритов, изложенный в патенте «Способ разрушения твердых материалов» (RU №2026986 C1, Е21С 37/00, 1995). Способ включает бурение вертикального шпура, заполнение его водой, укладку поверх шпура накладного заряда, фиксацию его детонирующим шнуром (ДШ) и взрывание. В качестве накладного заряда используют сосуд с водой с заложенным патроном ВВ. В случае бурения наклонных шпуров в пробуренные шпуры вставляют клинья, соприкасающиеся с накладным зарядом.

Недостатком данного способа являются большие потери энергии взрыва на пластические деформации, высокий удельный расход дорогостоящих заводских ВВ. Все это приводит к снижению эффективности действия способа.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности за счет использования энергии взрыва специальной конструкции заряда из аммиачной селитры (АС) различной дисперсности и физико-химического состояния.

Поставленная цель достигается тем, что в способе разрушения негабаритных блоков, включающем бурение шпура, размещение в шпуре детонирующего шнура (ДШ) и взрывчатой композиции на всю его глубину, формирование над устьем шпура накладного заряда, взрывание, в качестве взрывчатой композиции шпурового заряда используют АС, обработанную ПАВом, например, нейтрализованный черный контакт (НЧК) в количестве 0,8-1,2% от объема АС, а в качестве накладного заряда - ту же обработанную АС, измельченную до дисперсности 0,1-1 мм.

Причем используют аммиачную селитру марки «А» ГОСТ 2-85, а бурение шпура производят на глубину 0,2-0,25 высоты негабаритного блока.

Для обработки АС используют нейтрализованный черный контакт (НЧК) в соответствии с ТУ38-602-22-18.

Линейный детонатор (ДШ) размещают в шпуре на всю его глубину. Причем масса накладного заряда составляет 1-5 масс шпуровой части заряда при высоте накладной части заряда не менее 0.4 его диаметра. А при больших объемах негабаритного блока формируют несколько шпуронакладных зарядов.

Для эффективного взрывного разрушения негабаритных блоков пород средней и ниже средней крепости не требуется высокоамплитудное импульсное нагружение, наиболее благоприятные условия для разрушения таких пород создаются от импульсных нагрузок, максимально растянутых во времени, близких к критическим статистическим напряжениям, величина которых у скальных пород соответствует их крепости [5]. Такие импульсные нагрузки достигаются за счет использования зарядов из АС специальной конструкции (шпуронакладных), обеспечивающих эффективное запирание продуктов детонации в шпуре, в результате чего создается эффект низкоамплитудного удлиненного динамического воздействия.

Шпуронакладной заряд состоит из двух частей: внутренней и внешней. Внутренняя часть это шпуровой заряд, а внешняя - накладной заряд на поверхности негабаритного блока. Эти заряды представляют собой единое целое с непосредственным контактом между собой на верхнем торце шпура. Таким образом, рассматриваемый заряд обладает разрушающей способностью, которая определяется импульсным воздействием на негабаритный блок обеих его составных частей. Эффективность работы такого заряда во многом предопределяется детонационными характеристиками ВВ, из которых состоит заряд, и его геометрическими параметрами (шпуровой и накладной частей). Основными параметрами шпуронакладного заряда являются длина шпура l^* и масса накладного заряда , значения которых определялись экспериментально на модельных негабаритных блоках. Модельные негабаритные блоки изготавливались с соблюдением критериев моделирования и подобия по известным методикам [6, 7]. Взрывному разрушению подвергались бетонные блоки размерами 0,5×0,5×0,5 м, изготовленные из смеси песка, цемента и известкового отсева. Крепость модельных блоков задавалась в диапазоне 600-700 кг/см². Блоки разрушались взрывами накладных, шпуровых и шпуронакладных зарядов из аммонита 6-ЖВ. Перед взрыванием их размещали на ровной уплотненной поверхности. Для исключения разлета кусков материала каждый блок в момент взрыва защищался цилиндрической оболочкой из конвейерной ленты. По каждому раздробленному блоку оценивался гранулометрический состав кусков по фракциям. Куски размером менее 4 см определялись ситовым методом, а более крупные замеряли вручную. Диаметр шпура составлял 20 мм при изменении глубины от 5 до 25 см. Все шпуровые заряды депонировались одной нитью ДШЭ-9, причем конец формировался на всю глубину шпура. В результате проведения экспериментальных исследований [11] на модельных и натурных негабаритных блоках были определены рациональные значения основных параметров шпуронакладного заряда: длины шпура, массы внутреннего и внешнего зарядов, которые обеспечивают эффективное взрывное разрушение негабаритных породных блоков. Значения основных рациональных параметров шпуронакладного заряда определялись по его дробящим способностям, которые оценивались по единому показателю крупности кусковой смеси - средний (средневзвешенный) размер куска, l_c, вычисленному по данным гранулометрического состава, полученного дроблением модельных блоков аммиачно-селитряными шпуронакладными зарядами, и приведены на фиг. 1.

Зависимости l_c(q) для шпуронакладных зарядов располагаются между зависимостями l_c(q) для шпурового (кривая 2 на фиг. 1) и накладного (кривая 1 на фиг. 1) зарядов. При глубине шпура меньше 4-5 см эта зависимость качественно подобна зависимости l_c(q) для накладного заряда (кривая 3 на фиг. 1), но при этом, например, при l_c=20 см удельный расход (q) в 1,6 меньше.

Если глубина шпура в шпуронакладном заряде больше 10 и 15 см (кривые 4, 5 на фиг. 1), тогда зависимости l_c(q) приближаются к линейным. Они начинаются со значений l_c, соответствующих данной некритической глубине шпура в шпуровом методе дробления, и слабо убывают с ростом q. Таким образом, наибольшая эффективность шпуронакладного заряда достигается в точках пересечения кривых 2 с кривыми 4 и 5. Но в точке пересечения кривых 2 и 5 значение средневзвешенного размера куска l_c меньше заданного (l_c=20 см), т.е. присуще переизмельчение. Поэтому для выбора длины шпура принимается среднее между глубиной шпура 10 см (кривая 4) и 15 см (кривая 5) - 12,5 см. Так как высота модельного негабаритного блока составляет 50 см, тогда определенная глубина шпура 10 и 12,5 см соответствует 0,2-0,25 высоты негабаритного блока.

Наибольшая эффективность дробления шпуронакладного заряда имеет место при глубине шпура, меньшей критической для шпурового заряда. Параметры шпуронакладного заряда по результатам эксперимента: глубина шпура 0,2-0,25 высоты негабаритного блока, заполнение шпура на всю его глубину, масса накладного заряда 1-5 масс шпуровой части заряда, высота накладной части заряда не менее 0,4 его диаметра, так как эта величина является критической толщиной детонации ВВ накладной части шпуронакладного заряда. Масса ВВ шпуровой части заряда определяется как произведение объема шпура на плотность ВВ, размещенного в нем. Данные величины подтверждены экспериментально [11].

Но так как использование в шпуронакладных зарядах дорогостоящих заводских ВВ не целесообразно, то в качестве ВВ была рассмотрена аммиачная селитра (АС). АС промышленностью производится в гранулированном и мелкодисперсном состоянии. Производство гранулированной АС осуществляется на специализированных заводах в соответствии с ГОСТ 2-85, который предусматривает выпуск АС двух марок: марки А для промышленности и марки Б для сельского хозяйства. Мелкодисперсная АС также производится на специализированных заводах и только марки ЖВК. Кроме того, мелкодисперсная АС изготавливается из гранулированной АС на специальных измельчителях при изготовлении ВВ по месту производства взрывных работ. При использовании АС во взрывных технологиях применяется АС марки «А» ГОСТ 2-85.

АС марок А и Б имеет химическую формулу NH₄NO₃, молекулярную массу 80 г/моль, кислородный баланс +20%, теплоту образования при постоянном объеме Q=1059 ккал/кг и выпускается с такими физическо-химическими свойствами: массовая доля воды в АС не более 0,2-0,6%. Рассыпчатость АС этих марок - 100%. При этом в АС марки А нормируют массовую долю гранул от 1 до 3 мм - не менее 93%. АС марки А упаковывают в полиэтиленовую тару, а АС марки Б по согласованию с потребителем разрешается транспортировать не в пакетированном виде - насыпью. Гранулированная АС достаточно широко применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве и в промышленности как составная часть ВВ. Мелкодисперсная АС (как ЖВК, так и изготовленная из гранулированной АС) применяется только при изготовлении ВВ. Как следует из вышеизложенного, АС марок А и Б по своим физико-химическим свойствам различаются не существенно, но зато требования к пакетированию и транспортированию существенно различны. Требования к обращению с АС марки А более жестки и направлены на сохранение исходных свойств. Однако, как показывает практика использования АС в промышленности, а ее используют как марки А так и Б, обращение с ней осуществляют, как правило, по требованиям, которые предъявляются к АС марки Б.

АС является гигроскопичным веществом ввиду неполной насыщенности валентных связей элементов, составляющих ее кристаллическую решетку, и с изменением температуры и влажности окружающей среды изменяются ее физико-химические свойства. Причем с ростом температуры воздуха скорость увлажнения АС интенсивно возрастает, что приводит к увеличению слеживаемости или спекаемости. Если при температуре воздуха 25°С и относительной влажности 85% скорость увлажнения принять за единицу, то при 40°С и той же относительной влажности скорость увлажнения АС возрастает в 3,5-4 раза. В этом случае происходит лишь реакция растворения АС без выделения тепла [8, 9]. АС как взрывчатая система будет работать в том случае, если выполняются условия: влажность ≤0,3% и исключена слеживаемость. Изменение физико-химических показателей АС - влажность более 0,3%, слеживаемость, переводят ее из взрывчатых в невзрывчатые вещества [10].

Проведенные исследования [11] показали, что взрывные свойства АС (бризантность) зависят и от фракционного состава - крупности гранул АС. Как показывает зависимость бризантности АС от размеров ее гранул (фиг. 2), повышение взрывчатых свойств АС обеспечивается при ее измельчении. Наибольшая энергоотдача наблюдается для фракций АС в диапазоне 0,1-2,5 мм. Более мелкие фракции АС - пыль, опасность применения которых всегда присутствует, а фракции крупнее 2,5 мм дают пониженный взрывной эффект. В результате проведения промышленных экспериментальных работ было установлено, что для стабильного взрывчатого разрушения негабаритного блока пород средней и ниже средней крепости шпуронакладным зарядом в накладной его части должна использоваться измельченная АС дисперсностью не более 1 мм. Но при измельчении АС увеличивается площадь контакта суммарной поверхности мелких частиц АС с окружающей средой, соответственно увеличивается ее гигроскопичность и, как следствие, влажность и слеживаемость.

Для обеспечения сохранности первоначальных физико-химических свойств АС проведены исследования [11] влияния различных поверхностно-активных веществ (ПАВ) на снижение слеживаемости АС. При обработке ПАВ АС происходит обволакивание ее частиц гидрофобным слоем, тем самым уменьшается ее насыпная плотность и гигроскопичность - в результате уменьшается ее слеживаемость и стабилизируются взрывчатые свойства. В качестве ПАВ были выбраны: 1 - додецилсульфат натрия (ДДСН), 2 - динафтилметандисульфонат натрия (ДНМДСН), 3 - нейтрализованный черный контакт (НЧК) (см. фиг. 3). Как видно из графика: изменения толщины плотного поверхностного слоя АС (С_АК) от процентного содержания ПАВ (П) после выдержки (слеживания) через 5 суток показали, что оптимальным количеством ПАВ является 0,8-1,2% от массы АС, а наиболее эффективным ПАВ - нейтрализованный черный контакт. НЧК представляет собой сульфированный газойль и относится к классу анионогенных ПАВ. НЧК гостирован всеми странами СНГ по разряду воздухововлекающих добавок, ТУ38-602-22-18.

На фиг. 1 представлена зависимость среднего размера куска l_c от удельного расхода ВВ (q), кг/м³, для 1 - накладных зарядов; 2 - шпуровых зарядов; 3, 4, 5 - шпуронакладных зарядов при глубине шпура 5, 10 и 15 см соответственно.

На фиг. 2 представлена зависимость бризантности АС от размеров ее гранул.

На фиг. 3 представлена зависимость изменения толщины поверхностного слоя различных поверхностно-активных веществ (Сак) от процентного содержания (П) различных ПАВ при обработке, где:

1 - додецилсульфат натрия (ДДСН),

2 - динафтилметандисульфонат натрия (ДНМДСН);

3 - нейтрализованный черный контакт (НЧК).

На фиг. 4 представлено устройство шпуронакладного заряда на негабаритном блоке ,

где 1 - негабаритный блок;

2 - шпуровой заряд с гранулированной или измельченной аммиачной селитрой (АС), обработанной ПАВом;

3 - накладной заряд с измельченной аммиачной селитрой (АС), обработанной ПАВом;

4 - линейный инициатор типа ДШ.

Пример конкретной реализации

До начала проведения взрывных работ в специальном помещении производится подготовка АС марки «А». Обработка АС ПАВом (НЧК) может производиться как вручную, так и механическим способом, в зависимости от требуемого объема. При ручном смешивании АС растаривают в емкость, добавляют ПАВ в количестве 0.8-1,2% от массы АС и размешивают до тех пор, пока все гранулы не покроются тонким слоем ПАВ. При механическом способе ПАВ добавляют непосредственно в смешивающее устройство. Для получения диспергированной АС берут обработанную вышеприведенными способами ПАВом аммиачную селитру и измельчают на специальных измельчителях.

Обработанную АС затаривают во влагонепроницаемую тару (полиэтиленовые мешки).

Для примера взяли негабаритный блок из известняка крепостью 8 по шкале проф. М.М. Протодьяконова с размерами 1,5×1,0×1,0 (длина, ширина, высота) соответственно объемом - 1,5 м³. В негабаритном блоке 1 бурится шпур 2 диаметром 40-42 мм на глубину 0,3 м (0,2 высоты негабаритного блока).

В пробуренный шпур 2 помещают линейный инициатор 4 (типа ДШ) и гранулированную АС на всю глубину шпура весом 0,4 кг.

Над шпуровым зарядом 2 размещается накладной заряд 3 с измельченной АС дисперсностью от 0,1 до 1 мм. Заряд весом 0,4 кг формируют в полиэтиленовом пакете.

Производят подрыв заряда.

На основании результатов проведенных промышленных взрывов были определены и прошли окончательную проверку следующие основные параметры взрывного способа дробления негабаритных блоков пород средней и ниже средней крепости:

Расчет экономической эффективности предлагаемого способа показал снижение стоимости дробления негабаритных блоков шпуронакладными зарядами из АС по сравнению с измельчением с использованием шпуровых зарядов из граммонита 79/21, для известняка - на 20%, для доломита - на 22%.

Данный способ дробления негабаритных блоков может найти применение как при открытой, так и подземной разработке месторождений кимберлитов, известняков, доломитов и других пород соответствующей крепости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Бызов В.Ф., Великий М.И., Чернокос А.И., Вайман С.З. Разрушение негабаритных кусков горных пород. - Киев: Техника, 1986. - 132 с.

2. Кривцов Н.В. Методы додрабливания негабаритных фракций в карьерах и перспективы их развития // Вистник. - Кременчуг: КДПУ, 2002. - Вип. 2 (13). - С. 110.

3. Опыт взрывного разрушения негабарита на золоторудных карьерах Узбекистана / Э.И. Ефремов, В.Ф. Джос, Н.А. Зинько, В.И. Филь, С.В. Ковалевич // Металлур. и горноруд. пром. - 2002. - №1. - С. 76-77.

4. Друкованный М.Ф., Дубнов Л.В., Миндели Э.О., Иванов К.И., Ильин В.И. Справочник по буровзрывным работам. -М.: Недра, 1976. - С. 227-229.

5. Кривцов Н.В., Ковалевич С.В. Интенсификация разрушения негабаритных блоков импульсными нагрузками // Висник НТУУ «КПИ»: Серия «Гирництво»: Зб. наук. праць. - Киев: НТТУ «КПИ». - 2007. - Вип. 15. - С. 85-87.

6. Уралов B.C. Расчет величины зарядов модели при моделировании действии взрыва в эквивалентных материалах // Труды государственного НИИ горнохимического сырья. - 1968. - Вып. 11. - С. 132-140.

7. Уралов B.C. Некоторые вопросы методики моделирования действий взрыва в эквивалентных материалах // Труды государственного НИИгорнохимического сырья. - 1968. - Вып. 11. - С. 124-132.

8. Бостанжогло И.С., Росси С.Д. Аммиачно-селитренные ВВ. - М.: Изд-во «Оборонгиз», 1941. - 143 с.

9. Бялко К.М. Огнеопасные и взрывчатые свойства азотнокислого аммония (аммиачной селитры). М., 1937, 72 с.

10. Кривцов Н.В., Пашков А.П., Ковалевич С.В. Исследование физико-химических свойств аммиачной селитры как взрывчатого вещества // Проблемы охороны праци в Украине: Зб. наук. праць. - Киев: ННДИПБОП. - 2007. - Вип. 13. - С. 119-127.

11. Ковалевич C.B. Повышение эффективности взрывного разрушения негабаритных блоков: дисс. канд. техн. наук. - Киев, 2008 - 154 с.