Лекция 5. Эффективные способы контурного взрывания

Контурное взрывание является специальным способом ведения взрывных работ, обеспечивающим сохранность поверхности отрыва и ненарушенности законтурного массива породы, снижения переборов при проходке выработок. Область применения контурного взрывания в течение последнего времени непрерывно расширяется.

Анализ научно-технической литературы показывает, что, несмотря на значительное количество классификаций, все разновидности контурного взрывания можно объединить в два вида: контурная отбойка и контурный раскол породы. В других источниках они носят названия - метод предварительного щелеобразования (МПЩ) и метод контурной отбойки (МКО).

Цель контурного взрывания получить щель по заданному контуру и снизить воздействие массового взрыва на защищаемый массив. Совершенствование контурного взрывания идет в основном по пути создания новых конструкций зарядов, позволяющих снизить трудоемкость и повысить производительность заряжания. Другой не менее важной целью совершенствования параметров контурного взрывания является увеличение расстояния между контурными шпурами и тем самым уменьшение объемов бурения и расхода ВМ. Важной проблемой в деле достижения эффективной взрывоселекции является выбор конструкции зарядов ВВ контурных шпуров на контакте руда-порода.

Классификация методов контурного взрывания

Обычно контурное взрывание делят на два вида: предварительное оконтуривание и последующее. Или по другому – метод предварительного щелеобразования (МПЩ) и метод контурной отбойки (МКО). МПЩ включает два метода в зависимости от отсутствия или наличия холостых шпуров, МКО - также два метода в зависимости от направления контурных шпуров к образуемой поверхности. При этом метод с параллельным расположением шпуров подразделяется более детально в зависимости от конструкции заряда.

Некоторые авторы контурное взрывание делят на три метода: метод обуривания (в контурном ряду бурят одни холостые шпуры); метод контурной отбойки (контурные заряды взрывают после зарядов рыхления); метод предварительного щелеобразования (контурные шпуры взрывают перед зарядами рыхления).

Анализ практики контурного взрывания показывает, что все разновидности контурного взрывания объединить в два вида: контурная отбойка и контурный раскол горных пород. Такое деление вызвано различным механизмом разрушения горных пород и различными условиями работы взрыва системы контурных зарядов.

При взрывном контурном расколе пород, например, требуется создание пространственной поверхности в виде контурной щели в массиве горных пород. Создание контурной поверхности происходит за счет создаваемых взрывом контурных зарядов растягивающих напряжений, перпендикулярно направлению образуемой трещины в условиях полного зажима пород.

При контурной отбойке пород контурная поверхность создается за счет взрывного рыхления пород с отколом от контурной поверхности приконтурного слоя пород.

Контурное взрывание является отдельным видом взрывных работ и может выполняться совместно с другими видами взрывных работ или независимо от них.

По признаку совмещения или независимого выполнения во времени и пространстве виды контурного взрывания необходимо разделить на способы: взрывной контурный раскол - на опережающее щелеобразование и предварительное щелеобразование; взрывная контурная отбойка - на последующую и завершающую контурную отбойку.

Опережающее щелеобразование и последующая контурная отбойка выполняются за один прием с другими видами взрывных работ, т.е. являются способами совмещенного контурного взрывания. Предварительное щелеобразование и завершающая контурная отбойка - способы независимого контурного взрывания.

Под однотипным контурным зарядом следует понимать заряды, взрывы которых имеют одинаковый механизм создания контурной поверхности. По типу применяемых контурных зарядов следует различать следующие методы контурного взрывания: метод внеконтурных зарядов; метод зарядов пониженной бризантности; метод зарядов направленно-ослабленной бризантности; метод зарядов направленного действия; комбинированный метод.

К внеконтурным зарядам относятся заряды сплошной конструкции, которые располагаются по отношению к создаваемой контурной поверхности перпендикулярно или крутонаклонно и параллельно с оставлением в последнем случае между оконтуриваемой поверхностью и контурным зарядом амортизирующего слоя пород.

К зарядам пониженной бризантности относятся заряды, имеющие меньшую зону бризантности по сравнению с зарядами на основных взрывных работах. Понижение бризантности зарядов достигается введением в состав применяемого взрывчатого вещества специальных добавок - разуплотнителей, включением в конструкцию заряда специальных конструктивных элементов в виде полостей (воздушных или заполненных инертным материалом), уменьшением диаметра контурных шпуров (скважин), применением взрывчатых веществ более низкой бризантности. Заряды пониженной бризантности располагают в плоскости раскола (откола) пород или с небольшим наклоном к ней, параллельно друг другу.

К контурным зарядам направленно - ослабленной бризантности относятся заряды, которые проявляют нормальное бризантное воздействие на стенки шпура или скважины только в местах их соприкосновения со взрывчатым веществом, в других направлениях бризантное действие ослабляется конструктивными элементами заряда (демпфирующими прокладками, воздушным зазором и т.д.).

К контурным зарядам направленного действия относятся заряды с продольной кумулятивной выемкой, заряды ударно-направленного действия, т.е. с ориентированной ударной волной. Заряды указанной конструкции проявляют усиленное бризантное действие в требуемом направлении.

Метод внеконтурных зарядов

Метод внеконтурных зарядов отличается тем, что заряды располагаются параллельно на некотором расстоянии от создаваемой контурной поверхности или крутонаклонно к ней. Защита законтурного массива в первом случае обеспечивается амортизирующим слоем породы, оставляемым между контурной поверхностью и внеконтурными зарядами. При этом применяется вид контурного взрывания - контурная отбойка пород, способ контурного взрывания - последующая и завершающая контурная отбойка.

В последнее время получил развитие метод внеконтурных зарядов крутонаклонного расположения к создаваемой контурной поверхности. Для заоткоски уступов на открытых горных работах предложен метод внеконтурных скважин, расположенных под углом 70-90° к формируемому откосу уступа. По данной схеме для формирования откосов уступа в последнем и предпоследнем рядах взрывных скважин, используются скважины обратного заложения.

При данной схеме, происходит совмещение воронки разрушения от последнего и предпоследнего рядов взрывных скважин с плоскостью, образованной предварительным щелеобразованием. Энергия взрыва скважинных зарядов последнего и предпоследнего рядов направлена вдоль плоскости созданной щели к поверхности уступа, уменьшая тем самым его воздействие на законтурный массив.

Применение предлагаемой технологии позволяет получить проектный угол откосов и повысить устойчивость уступов в предельном положении.

Для подземных работ разработан метод внеконтурных крутонаклонных шпуров с одновременным креплением законтурного массива.

Сущность метода заключается в следующем. В пределах проектного сечения выработки производится выемка породы с оставлением нетронутого приконтурного слоя. Затем приконтурный слой обуривают шпурами, концы которых выходят за пределы проектного контура выработки. В глубинную часть шпуров, находящуюся за проектным контуром, помещают в виде ампул закрепляющий состав (бетон, смола), а в оставшуюся часть шпуров, помещают заряды ВВ сплошной конструкции, которые затем взрывают. В результате взрыва зарядов выработка оконтуривается в проектном контуре, а приконтурный слой оказывается скрепленным закрепляющим составом.

Метод контурных зарядов пониженной бризантности

Для понижения бризантности зарядов использовались следующие приемы: размещение зарядов в контурных шпурах уменьшенного диаметра, рассредоточение заряда по длине шпуров, применение ВВ пониженной мощности, применение кольцевых зазоров, применение продольных осевых полостей. Указанные приемы использовались как отдельно, так и в сочетании друг с другом.

Малоплотные заряды.

Бризантность ВВ зависит от его плотности. Введение в состав взрывчатого вещества добавок-разуплотнителей снижает их плотность и, следовательно, снижает бризантность ВВ. В качестве добавок - разуплотнителей могут применяться древесные опилки или вспененный полистирол.

Применение малоплотных зарядов для контурных зарядов позволяет, не меняя ВВ, применяемого на основных взрывных работах, и технологию заряжания улучшить качество оконтуривания выработок, снизить стоимость их проходки.

Практика применения малоплотных зарядов показывает, что смеси с 30%-ным содержанием пенополистирола производят больше положительной работы, чем чистые ВВ. Простота конструкции заряда позволяет применять средства механизации работ по заряжанию.

Рассредоточенные заряды

Рассредоточенные заряды получили распространение при контурном взрывании, как на открытых, так и подземных горных работах благодаря пониженному бризантному действию на стенки шпура (скважины) по сравнению со сплошными зарядами одного типа ВВ. Формируют заряды как из патронированного, так и россыпного ВВ.

Физический смысл явлений, происходящих при взрыве рассредоточенного заряда, состоит в том, что при рассредоточении заряда осуществляется снижение начального пикового давления ударной волны и равномерное перераспределение энергии ВВ по всей длине скважины или шпура, в результате чего увеличивается полезное использование энергии взрыва.

Таким образом, рассредоточение заряда позволяет не только перераспределить заряд по длине контурного шпура или скважины, но и уменьшить бризантное действие отдельного заряда и, следовательно, уменьшить воздействие взрыва на законтурный массив. При этом, как показывают расчеты, заряды с воздушными промежутками совершают полезной работы в 1,5 раза больше, чем сплошные заряды, за счет снижения потерь энергии взрыва на переизмельчение породы в ближней к заряду зоне.

Контурные заряды из ВВ пониженной мощности

Отличительным признаком этих зарядов является использование ВВ пониженной мощности в контурных шпурах по сравнению с обычными ВВ и отсутствие специальных полостей, заполненных воздухом или инертными материалами. Заряды из ВВ пониженной мощности могут формироваться как из россыпных ВВ, так и патронированных.

Рекомендуемые заряды - сплошные, рассредоточенные, с радиальным воздушным зазором.

Заряды с кольцевым зазором

Заряды с кольцевым зазором (воздушным или из инертного заполнителя) обладают пониженным бризантным действием на стенки шпура благодаря снижению ударной нагрузки и пикового давления продуктов детонации за счет кольцевого зазора. Последний частично гасит ударную волну и увеличивает поршневое действие продуктов взрыва, чем способствует уменьшению зоны смятия.

Заряды с кольцевым зазором создаются с использованием шлангового ВВ. Диаметр шланга меньше, чем скважины. Особую трудность представляет центрирование шлангового заряда в скважине.

При выборе конструкции контурного заряда для очистной выемки тонких жил было установлено (Павловский Б.С., Ляхов А.И.), что применение зарядов с кольцевым воздушным зазором позволяет уменьшить в сравнении со сплошным колонковым зарядом расход шпуров в 1,13, удельную трещиноватость законтурного массива уменьшить в 1,36 раза и получить более гладкую поверхность после взрыва.

За рубежом разработаны специальные приспособления для центрирования заряда в контурном шпуре с целью создания кольцевого зазора.

В Японии запатентован патрон для создания контурного заряда с кольцевым зазором. Он представляет собой цилиндрический контейнер, который заполнен ВВ простейшего состава (аммиачная селитра с дизельным топливом) с пропущенным по оси детонирующим шнуром передней и задней частях патрона крепятся кольца, с помощью которых между патроном и стенками шпура образуется воздушный кольцевой зазор.

В США запатентовано соединяющее и центрирующее устройство для фрикционного соединения патронов малого диаметра в сплошной колонковый заряд с одновременным созданием кольцевого зазора. Это устройство изготавливается из пластика и имеет цилиндрический корпус, длина которого меньше длины патрона. Вдоль корпуса на одинаковом друг от друга расстоянии выполнены рёбра. Внутри корпуса по всей его длине имеется небольшой выступ, который прочно удерживает концевой участок вставляемого патрона ВВ в плотном фрикционном контакте.

Заряды-гирлянды

Заслуживает внимания опыт строительства открытых профильных выемок (порталов, врезок и т.д.) с использованием подземных выработок для бурения контурных скважин и скважин рыхления. Чаще всего в качестве таких подземных выработок используются штольни, которые проходят по контуру оформляемого откоса в средней его части. Из штолен бурят восходящие и нисходящие контурные скважины и веера скважин рыхления. Конструкция контурных зарядов - заряды-гирлянды на несущем шпагате.

Горным институтом Кольского филиала АН СССР испытаны гирлян-довые заряды контурного взрывания, представляющие собой полиэтиленовые шланги диаметром 24 мм, заполненные аммонитом № 6ЖВ или ПЖВ-20 и имеющие пережимы по длине шланга через 650 мм. Длина пережима составляет 30 мм. Для надежного инициирования вдоль заряда пропускается детонирующий шнур. На гирляндовые заряды разработаны технические условия.

Трубчатые контурные заряды

Трубчатые контурные заряды представляют собой сплошные колонковые заряды с осевой цилиндрической продольной полостью.

Исследования взрывных свойств трубчатых зарядов показали, что скорость их детонации выше, чем у сплошного заряда, на 30%, дробление обеспечивается в сторону обнаженной поверхности, в то же время трещинообразования в сторону массива не наблюдалось. При взрывании трубчатых зарядов из зерногранулита 79/21, длина которых изменялась от 10 до 30 м при внешнем диаметре 85 и 105 мм диаметре полостей соответственно 30 и 40 мм, не отмечено ни одного случая затухания детонации.

В ПО "Апатит" были испытаны на проходке подземных горных выработок контурные трубчатые заряды из граммонита 79/21. Осевую полость диаметром 10 мм образовывали при заряжании контурных шпуров диаметром 42 мм пневмозарядчиком с использованием насадки конструкции НИГРИ. Качество оконтуривания выработки трубчатыми контурными зарядами оценивалось в сравнении со сплошными зарядами в условиях одной и той же выработки. Лучшее качество взрывных работ было достигнуто при использовании трубчатых зарядов как равных по массе сплошным, так и меньшим на 25%: глубина зоны разрушения за проектным контуром выработки была в два раза меньше, стаканы в ряде случаев отсутствовали полностью (при сплошных зарядах они были всегда).

Контурное взрывание зарядами направленного действия

К зарядам направленного действия, применяемым при контурном взрывании, следует отнести заряда с продольной кумулятивной выем­кой и заряды ударно-направленного действия. Применение указанных конструкций шпуровых (скважинных) зарядов для взрывного оконтуривания горных выработок обусловлено спецификой их взрывного воздействия на окружающий массив.

Заряды с продольной кумулятивной выемкой

Продольная кумулятивная выемка при взрыве таких зарядов позволяет создать направленный поток уплотненных газов взрыва в плоскости, проходящей через продольную ось заряда. Скорость движения продуктов детонации в кумулятивной струе значительно выше скорости детонации ВВ и достигает 10 тыс.м/с, а давление газов превышает 10 млн. КПа. Экспериментальные исследования позволили установить, что в направлении действия, кумулятивной струи глубина разрушения в 2,75 раза превышает глубину разрушения в других направлениях от оси заряда (Демидюк Г.П., Ведутин В.Ф., 1970).

Создание кумулятивных выемок в процессе заряжания контурных шпуров производится с помощью вкладышей из инертного материала или с помощью специальных наконечников при пневмозаряжании.

Экспериментальные исследования показали, что наиболее эффективными являются заряды с продольной кумулятивной выемкой параболической формы, занимающей 35% площади сечения заряда. Для создания щели расстояние между кумулятивными зарядами должно быть увеличено в два раза по сравнению с обычными зарядами.

Сравнение в промышленных условиях эффективности создания щели зарядами с сопряженными кумулятивными выемками и зарядами-гирляндами показало, что качество экранирующей щели, создаваемой зарядами с сопряженными кумулятивными выемками, выше, чем зарядами-гирляндами.

Заряды ударно-направленного действия

Заряды данной конструкции отличаются от зарядов с продольной кумулятивной выемкой механизмом направленного разрушения пород.

Отличительной особенностью взрыва заряда ударно-направленного действия является его двухступенчатое воздействие в заданном направлении: вначале усиленной ударной волной производится надкол стенки шпура или скважины в требуемом направлении, а затем - углубление зоны разрушения в указанном направлении газообразными продуктами взрыва.

Контурное взрывание зарядами направленно-ослабленной бризантности

К зарядам направленно-ослабленной бризантности относят заряды, при взрыве которых проявляется в требуемом направлении ослабленное бризантное действие. Достигается указанный эффект за счет специальных демпфирующих прокладок, устройством воздушных зазоров различной формы и другими средствами.

Таким образом, бризантность заряда совпадает с бризантностью применяемого взрывчатого вещества во всех направлениях за исключением того направления, в сторону которого между взрывчатым веществом и стенкой шпура установлен демпфирующий элемент (прокладка или воздушный зазор), который ослабляет как действие в требуемом направлении ударной волны, так и продуктов детонации.

На рис. (а, б, в, г, д) изображены конструкции зарядов направленно-ослабленной бризантности для контурной отбойки. При формировании таких контурных зарядов демпфирующие зазоры должны располагаться со стороны одной охраняемой (оконтуриваемой) поверхности. Демпфирующий зазор может быть воздушным, заполненный водой или из инертного материала (резины, дерева и т.д.). Формы и размеры демпфирующих зазоров определяются обычно опытным путем.

На рис. (е, ж, з, и, к, л) изображено поперечное сечение контурных зарядов ударно-направленного действия для контурного раскола пород.

Фирма "Доу Кемикэл Компани" (США) запатентовала конструкции заряда, состоящего из полой трубки, на внешней поверхности которой укреплено несколько ниток ДШ (патент № 3349705, США). Причем наибольший эффект при создании ориентированного раскола достигается при взрыве двух ниток ДШ, расположенных на противоположных стенках трубки. Применение металлических обкладок различных конструкций в сочетании с детонирующим шнуром (рис. и, к, л) позволяет получить направленный раскол пород.

I - шпур; 2 - воздух, 3 - взрывчатое вещество; 4 -демпфирующая прокладка

Рисунок- Применяемые конструкции зарядов ослаблено - направленной бризантности и ударно-направленного действия

Лабораторными исследованиями установлено снижение давления на фронте ударной волны в несколько раз с помощью прокладок из материалов, имеющих акустическую жесткость, резко отличную от акустической жесткости взрываемой породы. Наличие прокладок способствует перераспределению напряжений вокруг шпура. В месте расположения прокладок возникали напряжения не только меньшие по величине, но и с запаздыванием по времени по отношению к напряжениям в месте контакта ВВ со стенками шпура.