Расчет зарядов и ведение взрывных работ методом скважинных зарядов

 

Метод скважинных зарядов применяют при рыхлении горных пород.

 

14.2.1. Общие сведения.В крупных механизированных карьерах применяют метод скважинных зарядов, при котором порода дробится более равномерно и мелко, чем при методе минных штолен. Метод применяют в забоях высотой более 7 м; наиболее целесообразно использовать его в забоях высотой 10…20 м и более в зависимости от типа экскаватора.

Сущность метода заключается в следующем (рис. 14.6). В уступе, подлежащем взрыванию, бурят скважины для размещения зарядов. Скважины могут быть горизонтальные, наклонные и вертикальные, диаметром от 75 до 370 мм. Чем крепче порода и выше уступ, тем большего диаметра применяют скважины: в слабых породах – диаметром 100…150, в крепких (известняк, гранит, железные руды) – 200 мм и более. Однако чем больше диаметр скважины при прочих равных условиях, тем крупнее куски отбитой породы.

Для бурения скважин в породах с коэффициентом крепости f £ 5 используют станки вращательного бурения, в более крепких – шарошечного, огневого и канатно-ударного. При канатно-ударном и огневом бурении фактический диаметр скважины получается на 5…20% больше номинального (вследствие разработки стенок долотом или пламенем реактивной горелки).

Скважины располагают в один или несколько рядов (до 10) параллельно фронту забоя. Заряжают их порошкообразным или гранулированным ВВ. Одновременно взрывают несколько десятков скважинных зарядов по фронту длиной 100…800 м, чтобы обеспечить бесперебойную работу экскаваторов в течение длительного времени. При взрывании скважинными зарядами вследствие меньшего значения W и а, чем при камерных зарядах, получается более равномерное дробление породы и меньший выход негабарита. Благодаря этому метод широко применяют в крупных механизированных карьерах. Выход негабарита (для экскаваторов с ковшом вместимостью более 3 м3) обычно не превышает 5…10% объема взрывной массы, а при благоприятной текстуре – 0,2…3%.

Для качественного дробления породы на уровне подошвы забоя и предупреждения образования порогов (выступов неразрушенной или полуразрушенной породы, не поддающейся уборке экскаватором) скважины бурят ниже подошвы забоя.

Часть скважины, находящуюся ниже подошвы забоя, называют перебуром. Его длина зависит от крепости породы и принимается в пределах (0,2…0,4)Wр, где Wррасчетная линия сопротивления, т. е. расстояние от оси скважины до открытой поверхности на уровне подошвы забоя (см. рис. 14.6). Если на уровне подошвы залегает слой более слабой, легко разрушающейся породы, перебур можно не делать. Перебур не допускается в том случае, когда в подошве забоя залегает пустая порода, которая разубоживает добываемое полезное ископаемое.

14.2.2. Расчет зарядов рыхления.Порядок расчета зарядов скважин рекомендуется следующий. Выбрав диаметр скважины, тип ВВ и способ взрывания, устанавливают по табл. 14.2 удельный расход ВВ qт (значения qт приведены для ВВ с работоспособностью 300 см3).

Таблица 17.2. Нормативные удельные расходы ВВ

Метод взрывных работ Высота уступа, м Значения qт ,кг/м3, при различной категории крепости пород по шкале Союзвзрывпрома
IV…VI VII…VIII IX…X XI XII XIII XIV…XV
Шпуровой –//– –//– 1,5 2…6 0,29 0,25 0,21 0,33 0,29 0,25 0,38 0,33 0,29 0,42 0,38 0,33 0,46 0,42 0,38 0,50 0,46 0,42 0,54 0,50 0,46
Скважинный 7…20 0,21 0,25 0,29 0,33 0,38 0,42 0,46

 

Если для ведения взрывных работ принято ВВ с иной работоспособностью, то для получения удельного расхода, кг/м3, ВВ следует производить перерасчет по выражению

q =qтРэт / РВВ , (14.11)

где qт – удельный расход ВВ, кг/м3, принятый по табл. 14.2;

Рэт – работоспособность эталонного ВВ равная 300 см3;

РВВ – работоспособность ВВ, см3, принятого для ведения взрывных работ.

Определяют массу, кг, заряда одной скважины по выражению

Q = qaWрH, (14.12)

где q – удельный расход ВВ для зарядов рыхления, кг/м3;

V – объем породы, взрываемый зарядом одной скважины, м3;

а – расстояние между скважинами, м;

Wр – линия наименьшего сопротивления, м;

Н – высота уступа, м.

Выведем формулы для определения а и Wр . Исходя из рис. 14.6, площадь, м2, поверхности уступа, приходящаяся на одну скважину, равна

S = aWp . (14.13)

Отношение расстояния между скважинами а к линии наименьшего сопротивления Wp называют коэффициентом сближения зарядов и обозначают буквой m, т. е.

m = a / Wp . (14.14)

Площадь, м2, поверхности уступа, приходящуюся на одну скважину, можно подсчитать также по выражению

S = kγ / q , (14.15)

где k – коэффициент, значение которого зависит от высоты уступа (при высоте уступа до 10 м он принимается равным 0,6, при высоте уступа более 10 м – 0,7);

g – масса, кг, 1 м заряда скважины,

, (14.16)

где dскв – диаметр заряда скважины, м;

DВВ – плотность ВВ, кг/м3.

Приравняем правые части формул (14.13) и (14.15), тогда

aWр = kγ / q . (14.17)

Подставив значение а в выражение (14.17) получим

mWр2 = kγ / q,

откуда ЛНС

. (14.18)

Определив из формулы (14.14) параметр Wр и подставив его в (14.17), получим

a2 / m = kγ / q .

Из этого выражения получаем формулу для расчета расстояния между скважинами

. (14.19)

В табл. 14.3 приведены соотношения между параметрами скважин Wр, a и S при мгновенном взрывании зарядов (значения а выражены через Wр, значения Wр – через площадь, приходящуюся на одну скважину, считая на уровне подошвы забоя), а также приведены значения коэффициентов сближения зарядов в зависимости от текстуры горных пород.

Таблица 14.3. Значения параметров скважин и коэффициентов сближения зарядов

Порода Wр а
Монолитная, слоистая или трещиноватая с горизонтальным направлением; направление слоистости или трещиноватости неясно выражено 0,8Wр 0,8
Вертикальная слоистость или трещиноватость, параллельная фронту забоя ³Wр ³1
Вертикальная слоистость или трещиноватость, перпендикулярная к фронту забоя »0,6Wр »0,6

 

Порядок дальнейшего расчета принимается следующий:

Определяют:

массу, кг, заряда одной скважины,

Q = qaWpH, (14.20)

перебур, м

lпер = (0,2…0,4)Wp , (14.21)

глубину, м, скважины

Lcкв = H + lпер , (14.22)

длину, м, заряда скважины

lзар = Q / γ, (14.23)

длину, м, забойки

lзаб = Lcкв lпер , (14.24)

которая должна быть в пределах lзаб = (0,8…1,2)Wp , м.

Если вычисленная по формуле (14.24) длина забойки окажется меньше 0,8Wр, то надо уменьшить значение Wр или а, чтобы уменьшить объем взрываемой породы и заряд, иначе взрыв верхней его части будет вызывать большой разлет породы. Уменьшить длину заряда можно другим способом: путем простреливания образовать в нижней части скважины котел, благодаря этому вместимость возрастает и уровень заряда ВВ понизится.

Если длина забойки будет более 1,2Wр , надо увеличить длину заряда, так как в противном случае уступ будет плохо раздроблен. Увеличить длину заряда в скважине можно двумя способами: принять большее значение Wр или а, в связи с чем возрастет объем взрываемой породы и заряд, или применить рассредоточенный заряд, т. е. разделить его на две-четыре части, предусмотрев между отдельными частями инертные (воздушные) промежутки длиной от 1 до 2 м.

Работами академика Н.В. Мельникова и профессора Л.Н. Марченко доказано значительное преимущество воздушных промежутков перед прослойками из твердых инертных материалов (песок, измельченная порода и т.п.). При воздушных промежутках энергия ВВ не расходуется на переизмельчение твердых материалов промежутка, а передается упругому воздушному промежутку и используется для дробления породы в промежутке между отдельными частями заряда. В связи с этим улучшается дробление породы по всему забою.

Институт горного дела им. А.А. Скочинского рекомендует при высоте уступа до 20 м рассредоточивать заряд на две-три части. Масса нижней части должна составлять 60…70% массы всего заряда (60% - при более крепких породах, 70% - при менее крепких). Остальное количество ВВ размещается в верхних частях заряда над воздушными промежутками. Длина воздушных промежутков должна составлять 17…35% общей длины заряда (нижний предел относится к более крепким породам). При этом длину забойки принимают на 20…30% меньше рекомендуемой, т. е. забойка должна составлять 0,5…0,7Wр. Сокращение длины забойки не опасно (в отношении разброса породы) в виду небольшой верхней части заряда. Длина отдельного воздушного промежутка должна быть не менее 1 м.

14.2.3. Схемы инициирования скважинных зарядов ВВ.Рассредоточенные заряды инициируют отрезками детонирующего шнура, которые пропускают через всю скважину, для надежности прокладывают два отрезка. Их инициируют электродетонатором, прикрепленным к ним вверху над устьем скважины или к магистральной линии, протянутой вдоль скважин.

Длину воздушного промежутка фиксируют деревянной рейкой с поперечной планкой на нижнем конце и фланцевым диском (или деревянной крестовиной, обмотанной плотной бумагой) на верхнем. Поперечная планка опирается на нижнюю часть заряда, а диск служит опорой для верхней части. При разновременном взрывании скважинных зарядов целесообразно располагать скважины в несколько рядов.

В случае многорядного взрывания скважинных зарядов с замедлением tзам ³ 0,5 с расстояние между рядами скважин Wр принимают равной расчетному Wр для первого ряда. Расстояние между скважинами в ряду принимают а = 0,8Wр, если весь ряд взрывают с одним замедлением. Если соседние скважинные заряды одного ряда взрывают с разными замедлениями, тогда принимают а = Wр. Соотношение это надо уточнять в соответствии с текстурой породы (см. табл. 14.3).

При короткозамедленном (tзам < 100 мс) многорядном взрывании расстояние между зарядами по сравнению с расчетным значениям Wр для первого ряда скважин уменьшают на 20…40% и принимают его равным расстоянию между скважинами в ряду. Во избежание возникновения глубоких заколов в массиве уступа за последним рядом и опасного для зданий сейсмического эффекта заряды взрывают короткими рядами наискось к фронту уступа. Такое взрывание, кроме того, улучшает дробление породы.

Выбирая схему взрывания рядов, надо учитывать текстуру породы, направление ее слоев и трещин.

Обычно скважинные заряды взрывают детонирующим шнуром, реже – электродетонаторами. Первый способ значительно дороже (в 5…20 раз) второго, но имеет ряд преимуществ при массовых взрывах большого количества скважин: проще монтаж взрывной сети и большая ее надежность, а также безопаснее в случае отказа заряда. Для надежности взрывную сеть дублируют: концы двойной линии ДШ опускают до дна скважины, затем засыпают ВВ. Детонация будет распространяться по радиальным направлениям от детонирующего шнура. Если ВВ недостаточно чувствительно (гранулированные ВВ) и от ДШ не взрывается, то на дне скважины помещают промежуточный детонатор – насыпают слой ВВ толщиной 0,2…0,6 м (5…20 кг), хорошо детонирующего от ДШ (например, порошкообразный тротил, аммонит 6ЖВ).

При обратном инициировании зарядов скважин (от дна к устью) или при короткозамедленном взрывании отдельных частей рассредоточенного заряда скважин в качестве средств инициирования (СИ) следует применять электродетонаторы, если количество скважин менее 100. При большом количестве скважин монтаж электровзрывной сети с рассредоточенными зарядами в скважинах, да и заряжание их весьма усложняется. В этом случае предпочтительно взрывание детонирующим шнуром. Чтобы нитка ДШ, предназначенная для инициирования нижней части, не вызвала взрыва верхней части заряда, взрываемого с замедлением 20…30 мс, на ДШ надевают полиэтиленовый шланг, ослабляющий детонационный импульс (рис. 14.7).

При обратном инициировании действие заряда в перебуре улучшается и порода в подошве лучше дробится. Кроме того, можно на 25…30% уменьшить глубину перебура. Еще более улучшается дробление породы, если отдельные части заряда взрывать с замедлением 10…20 мс. Однако ввиду сложности монтажа взрывной сети этот способ широкого применения не получил.

В породах крепких и монолитных забой уступа имеет почти вертикальное положение: нижняя часть его высотой (0,50…0,75)Н вертикальна и только верхняя вследствие заколов с откосом. Угол откоса уступа при монолитных и крепких породах a » 80º; для пород некрепких, а также крепких, но трещиноватых a » 60º. Для взрывания таких уступов целесообразно бурить наклонные скважины, параллельные линии откоса (рис. 14.8, а). Параметры расположения наклонных скважин и зарядов рассчитывают по вышеизложенной методике с внесением некоторых поправок: ЛНС берется от нижней бровки по направлению, перпендикулярному к скважине (она меньше сопротивления по подошве, Wп=Wр / sina).

Объем взорванной породы

V = aWр H / sina. (14.25)

Если в уступах с малым углом откоса применяют вертикальные скважины (рис. 14.8, б), то величину ЛНС определяют по формуле

Wп = b + H ctga. (14.26)

где b – расстояние от верхней бровки уступа до скважины, которое для безопасных буровых работ принимают равным 3 м.

Значение с.п.п. в этом случае получается достаточно большим и дробление породы значительно ухудшается. Чтобы сохранить нормальный коэффициент сближения (m = 0,8) следует закладывать в скважину соответственно больший заряд. В таких случаях для размещения в скважине заряда на уровне подошвы путем простреливания образуют котел. Прострелочный заряд зависит от крепости породы и объема котла. Его берут длиной не более 2 м. Если однократное простреливание не создает необходимого объема котла, то делают два-три последовательных простреливания (удваивая или утраивая массу каждого последующего заряда). Прострелочный заряд взрывают электродетонатором или детонирующим шнуром. Над зарядом помещают забойку из мелкого щебня длиной 2…4 м. После простреливания скважину очищают от разрыхленной породы желонкой бурового станка или легкой ручной желонкой.

Так, применение наклонных (a = 75º) скважин на карьерах Кривбасса в уступах высотой 12…16 м и в породах с f = 9…19 позволило уменьшить выход негабарита в 3…5 раз и повысить равномерность дробления пород, снизить на 10…15% удельный расход ВВ и объем буровых работ. Скважины бурили шарошечными станками СБШ-250МП. Их производительность при бурении наклонных и вертикальных скважин была практически одинакова и составляла 9…11 м/ч в породах с f = 12…14 и 8…9 м/ч в породах с f = 14…16.

 
 

На Сарбайском карьере ССГОКа при бурении наклонных скважин выход негабарита снизился в 1,5…2,5 раза, а производительность экскаватора возросла на 8…12%. Удельный расход ВВ остался прежним. Сумма затрат на буровые работы также снизилась.

Основные преимущества метода:

высокая производительность труда забойного рабочего (по сравнению со шпуровым методом производительность труда увеличивается в 3 раза и более);

возможность более широкого применения комплексной механизации труда;

повышение безопасности работ и улучшения условий труда.

Недостатки: увеличение выхода крупных фракций и меньшая точность контуров отбойки по сравнению со шпуровым методом; возможность обрушения за контурами скважин, особенно, если диаметр более 100 мм.