АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ ЗАБОЙКИ В СКВАЖИННОМ ЗАРЯДЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

АННОТАЦИЯ

В работе установлено, что определение оптимальной длины забойки в скважинном заряде взрывчатых веществ является сложным процессом, требующим учета множества факторов для достижения наилучших результатов. Для определения оптимальной ее длины необходимо учитывать тип и свойства забоечного материала и взрывчатых веществ, а также геометрические параметры скважины и заряда. Проведенные исследования подчеркивают важность комплексного подхода к оптимизации длины забойки для достижения максимальной эффективности при взрывных работах. Для определения оптимальной длины забойки в скважинном заряде ВВ рекомендуется учитывать такие факторы, как тип забоечного материала и его свойства, а также свойства ВВ и геометрические параметры скважины.

ABSTRACT

It is established in the work that determining the optimal length of the hole in the borehole charge of explosives is a complex process that requires taking into account many factors to achieve the best results. To determine its optimal length, it is necessary to take into account the type and properties of the downhole material and explosives, as well as the geometric parameters of the well and the charge. The conducted research highlights the importance of an integrated approach to optimizing the length of the face to achieve maximum efficiency in blasting operations. To determine the optimal length of the downhole in the downhole charge of explosives, it is recommended to take into account factors such as the type of downhole material and its properties, as well as the properties of explosives and the geometric parameters of the well.

Ключевые слова: взрывные работы, длина забойки, тип забоечного материала, свойства взрывчатых веществ, геометрические параметры скважины, использование специализированных программных средств для расчета.

Keywords: blasting, stope length, type of stope material, properties of explosives, geometric parameters of the well, use of specialized software for calculations.

Введение. Современные исследования в области взрывного разрушения массива горных пород показывают, что правильное размещение заряда взрывчатых веществ (ВВ) в скважине и формирование оптимальной длины забойки оказывают значительное влияние на эффективность взрывного разрушения, позволяя равномерно распределить энергию взрыва в массиве и способствуя более полному и равномерному разрушению горных пород. Исследования [1, 2] подтверждают, что длина забойки заряда ВВ является ключевым фактором для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород, что важно как для экономических аспектов горной промышленности, так и для соблюдения экологических стандартов.

Эксперименты, описанные в работе [3], демонстрируют, что использование забойки при взрывании зарядов ВВ значительно увеличивает энергию ударных волн. Напряжения во фронте ударной волны при использовании забойки из буровой мелочи превышают напряжения при взрывании без забойки в 1,5 раза, а плотность потока энергии увеличивается более чем в 2,5 раза [4]. Время начала сдвижения и отрыва пород после инициирования зарядов значительно превышает время прохождения ударных волн, что является важным аспектом при определении оптимального расположения забойки для максимальной эффективности взрывного разрушения. Исследования, приведенные в работах [3, 5], также указывают на то, что использование забойки способствует увеличению предельной линейной нагрузочной способности, что имеет важное значение для оценки безопасности и эффективности взрывных работ. Теоретические расчеты, выполненные в работах [6-8], подтверждают, что выбор оптимальной длины забойки зависит от свойств ВВ, характеристик породы и целевых параметров взрыва, что подчеркивает необходимость дальнейших исследований в этой области.

Анализ выполненных исследований. В работе [9] приведена формула определения наилучшей длины забойки, но она не учитывает характеристики материала забойки и способы инициирования, что снижает её практическую применимость и значимость для реальных условий:

                                                   (1)

где σ_р – предел прочности забоечного материала на растяжение; Р_g – детонационное давление; W – линия наименьшего сопротивления.

Упрощенной формулой определения длины забойки является зависимость, предложенная в работе [10]:

                                                     (2)

где L_з – длина колонки заряда, м;  С_ср – скорость звука в материале забойки, м/с;  w – скорость детонации ВВ, м/с.

В работе [11] предложен аналогичный подход для расчета оптимальной длины гидрозабойки:

                                                 (3)

где К – коэффициент пропорциональности; ρ_вв и ρ_заб – плотность, соответственно, заряда ВВ и забойки, кг/м³; l_зар – длина колонки заряда ВВ, м.

Исследованиями [12] получена формула определения оптимальной длины крупнозернистой забойки:

              (4)

где W – линия сопротивления по подошве уступа; С_р – скорость распространения взрывной волны в массиве; С_тр – средняя скорость распространения трещин; К – размерный коэффициент, равный 1; υ – коэффициент Пуассона материала забойки; f – коэффициент внутреннего трения материала забойки; Р_о и Р_а – среднее давление продуктов взрыва и атмосферное давление; V – средний объем частиц материала забойки; d_с – диаметр скважин; β – расчетно-экспериментальный коэффициент, учитывающий пластические деформации и характер распределения давления по длине забойки; σ_R – прочность материала крупнозернистой забойки; l_ск – длина скважины;  l_зар – длина заряда ВВ.

Из анализа данной формулы следует, что длина забойки зависит от ряда факторов: длины заряда, среднего давления в скважине, линии сопротивления по подошве, диаметра скважины, кроме того, она обратно пропорциональна крупности кусков забоечного материала, его плотности, прочности и коэффициенту внутреннего трения.

Методы определения. Для определения оптимальной длины забойки в скважинном заряде ВВ необходимо учитывать следующие факторы:

1. Тип забоечного материала и его свойства. Забоечный материал играет значительную роль в качестве и эффективности взрывного разрушения горных пород. Забойка из материала с высокой плотностью способствует более равномерному распределению давления взрыва вокруг скважины, что может улучшить контроль за процессом разрушения пород и предотвратить неэффективное использование энергии взрыва, а размеры и формы частиц забоечного материала влияют на процесс фрагментации пород. Кроме того, некоторые материалы могут поглощать часть энергии взрыва, что может снизить его эффективность, а материалы с высокой энергетической эффективностью способствуют более интенсивному разрушению пород. Как материал забойки компактируется (компактация – это процесс или состояние, когда материал становится более плотным или плотно упакованным) в скважине также имеет значение – хорошая компактация помогает предотвратить чрезмерный выброс газов и обеспечить равномерное распределение давления взрыва. Также важно, чтобы забоечный материал обладал хорошей адгезией к стенкам скважины, что помогает улучшить качество разрушения пород вдоль всей длины скважины.

2. Свойства ВВ. Исследование влияния свойств ВВ является критически важным для эффективности и безопасности взрывных работ, т.к. различные типы ВВ имеют разную мощность взрыва и скорость детонации. Эти параметры влияют на давление и скорость волн, которые создаются в процессе взрыва, и, следовательно, на требования к материалам забойки для управления разрушением горных пород. Взаимодействие между ВВ и материалами забойки важно для предотвращения нежелательных химических реакций, которые могут привести к уменьшению эффективности взрыва или к повышенному риску аварий. Исследование и учет всех этих факторов помогают оптимизировать выбор и использование материалов забойки для достижения максимальной эффективности взрывного разрушения горных пород при минимальных рисках.

3. Геометрические параметры скважины. Больший диаметр скважины обеспечивает большее пространство для размещения забойки, позволяя использовать более мощные и объемные заряды ВВ, что может повысить эффективность разрушения пород. Однако, при этом необходимо учитывать, что больший диаметр скважины требует более значительных затрат на забойку и большую мощность зарядов. Глубина скважины определяет длину пути, по которому распространяется взрывная волна – более глубокие скважины требуют более мощные заряды для достижения необходимого эффекта взрывного разрушения, что также может потребовать увеличения длины забойки для эффективного использования энергии взрыва.

4. Использование специализированных программных средств.  Использование специализированных программных средств для расчета оптимальной длины забойки в скважинном заряде ВВ основывается на математических моделях и эмпирических формулах, учитывающих разнообразные факторы, влияющие на процесс взрывного разрушения горных пород. Программы учитывают геометрические параметры скважины, свойства ВВ и физические свойства горных пород. На основе введенных данных и параметров программное обеспечение рассчитывает оптимальные параметры заряда, включая длину забойки. Оптимизация направлена на достижение максимальной эффективности взрывного разрушения при заданных условиях.

Процесс нагружения и разрушения породы взрывом скважинного заряда можно разделить на четыре основных этапа:

1. Сублимация. На этом этапе происходит переизмельчение части породы под воздействием высокой температуры и давления, данное явление характеризуется кратковременным, но очень интенсивным изменением состояния породы.

2. Распространение взрывной волны. В этот момент взрывная волна быстро распространяется по породе. Амплитуда взрывной волны превышает предел прочности горных пород на растяжение, что приводит к мелкодисперсному дроблению породы перед фронтом волны.

3. Упругая волна и поле квазистатического напряжения. На этом этапе упругая волна распространяется по породе, вызывая формирование поля квазистатического напряжения. В этой зоне также формируется зона радиального трещинообразования, которая является зоной регулируемого дробления породы. Мелкодисперсное дробление на этом этапе менее значительно по сравнению с предыдущим этапом.

4. Распространение сейсмической волны. На этом этапе сейсмическая волна распространяется по породе, вызывая разрушение породы за счет откола кусков от отдельностей и разгрузки породы, в результате происходит возвратное движение разрушенных частиц породы к центру взрывной полости.

Обычно в качестве забойки в скважинном заряде ВВ выбирают материалы, которые по своим физическим свойствам схожи с песком. При неизменном диаметре скважины в течение производственного цикла, оптимальная длина забойки должна гарантировать задержку истечения продуктов детонации из скважины. Это обеспечивает максимальное использование потенциала взрыва для создания зоны мелкодисперсного дробления пород и формирования вокруг заряда квазистатического поля напряжений.

В соответствии с «Программой и методикой проведения исследований и опытно-промышленных работ по определению рациональной длины забойки» на карьере Кальмакыр АО «Алмалыкский горно-металлургический комбинат» проведены опытно-промышленные испытания. Горные породы карьера имели характеристики, близкие к непрерывным, однородным и изотропным. При взрыве заряда они подвергались быстрому изменению напряженно-деформированного состояния, что характеризуется как плоскодеформированное состояние.

Рациональную длину забойки определяли из следующих условий:

– тип породы: песчаник с крепостью f=10, плотностью 2,8 т/м³, скоростью распространения упругих волн С_р=4800 м/с, модулем упругости E=42 ГПа, пределом прочности на сжатие σ_сж=0,16 ГПа;

– геометрия скважины: длина 12 м, диаметр 250 мм;

– тип взрывчатого вещества: эмульсионное ВВ марки эмульгит - 30, 50, 60 ANFO;

– материал забойки: поглотительная смесь с плотностью 1,120 т/м³ (1120 кг/м³).

Исследование физических процессов изменения давления от продуктов детонации в условиях прохождения скважины показало, что забойка из поглощающей смеси обеспечивает более высокое давление и длительность вылета взрывных продуктов по сравнению с забойкой из песка.

В результате исследования определена оптимальная длина забойки, которая эффективно учитывает время спада давления в скважине и сравнивается с временем полного квазистатического нагружения горных пород (рис. 1). В данном случае эта длина составляет от 4,3 до 5,0 м.

1 – сплошная забойка из песка; 2 – забойка из поглощающей смеси

Рисунок 1. Зависимость времени спада давления в скважине от длины забойки

В целом, снижение давления в скважине приблизительно в 2,0-2,5 раза для пород средней и высокой крепости примерно соответствует такому изменению амплитуды взрывной волны, что по характеру воздействия процесс взрывного нагружения горных пород можно считать бризантным. При этом время, соответствующее такому спаду давления в устье скважины при свободном истечении продуктов детонации равно 5t_p (где t_p – время прохождения упругой волны вдоль скважины). Процесс истечения продуктов детонации из скважины длиной 12 м и диаметром 250 мм происходит в течение 4÷22 мс в зависимости от длины забойки.

Заключение. Проведенный анализ влияния длины забойки в скважинном заряде ВВ на процесс разрушения горных пород позволил установить, что длина забойки заряда ВВ является ключевым фактором для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород. Правильное размещение заряда ВВ в скважине и формирование оптимальной длины забойки оказывают значительное влияние на эффективность взрывного разрушения, позволяя равномерно распределить энергию взрыва в массиве и способствуя более полному и равномерному разрушению горных пород. Для определения оптимальной длины забойки в скважинном заряде ВВ необходимо учитывать тип забоечного материала и его свойства, свойства ВВ, а также геометрические параметры скважины. В результате опытно-промышленных работ на карьере Кальмакыр определена оптимальная длина забойки, которая составляет 4,3-5 м.

Список литературы:

1. Заиров Ш.Ш., Норматова М.Ж. Разработка способа снижения пылегазовыделений при ведении взрывных работ на карьерах // Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2016. – №4. – С. 33-34.
2. Заиров Ш.Ш., Тухташев А.Б., Норматова М.Ж., Рустамов О.И. Исследование влияния забойки скважинного заряда на эффективность разрушения и пылеподавления // Материалы Республиканской научно-технической конференции на тему: «Горно-металлургический комплекс: достижения, проблемы и перспективы инновационного развития». – Навои, 15-16 ноября 2016 г. – С. 41-42.
3. Норов Ю.Д., Мислибаев И.Т., Тухташев А.Б., Назаров З.С. Оценка эффективности активной забойки при взрыве скважинных зарядов взрывчатых веществ // Горный вестник Узбекистана. – Навоий, 2010. – №2. – С. 37-38.
4. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом. – М., 1962. – 200 с.
5. Норов Ю.Д., Бибик И.П., Тухташев А.Б., Назаров З.С. Определение времени вылета пассивной забойки при взрыве скважинных зарядов взрывчатых веществ // Горный вестник Узбекистана. – Навоий, 2010. – №2. – С. 34-36.
6. Баум Ф.А., Станючков К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. – М.: Физматгиз, 1959. – 800 с.
7. Гуринов С.А., Норов Ю.Д., Тухташев А.Б. Схема работы активной забойки. // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2010. – №5. – С. 132-138.
8. Ефремов Э.И. Взрывание с внутрискважинными замедлениями. – Киев: Наукова думка, 1971. – 170 с.
9. Кутузов Б.Н. Взрывное дело. – М.: Недра, 1980. – 375 с.
10. Мосинец В.Н. Современное состояние и перспективы развития технологии и методов производства взрывных работ на карьерах//Взрывное дело.  – М.:, Недра, 1986. – №89/46. – С. 100-109.
11. Левчик С.П. Масаев Ю.А. Влияние водяной забойки на разрушение горных пород взрывом // Взрывное дело. – М.: Недра, 1973. – №72(29). – С. 124–130.
12. Друкованный М.Ф., Ильин В.И., Кравцов В.С. и др. Исследование влияния качества забойки на величину импульса давления. – Киев: Наукова думка, 1970. – Ч. 2. – С. 227-239.