Фізико-технічні основи руйнування скельних порід вибухами свердловинних зарядів вибухових речовин у рукавах

Обробка результатів експериментів показала: в заряді з одним нижнім проколом обмін розчину всередині рукава з оточуючою заряд водою практично відсутній; густина розчину усередині рукава дорівнює 1270…1320 кг/м3 і дорівнює густині, прийнятій у розрахунках; при наявності додаткового проколу біля верху або посередині заряду рівень розчину в рукаві приблизно дорівнює рівню води зовні рукава, що свідчить про обмінні процеси між розчином в рукаві і водою зовні рукава; значення коефіцієнта усадки заряду (відношення висоти заряду вихідної щільності в рукаві до висоти заряду після його розміщення і усадки в свердловині) після витримування заряду протягом доби при одному нижньому проколі рукава більші від розрахункових значень на 3…12 % внаслідок згинання рукава і більш високого ступеня ущільнення твердої фази в процесі упакування; попереднє водонаповнення заряду в діапазоні 5…15 % по масі знижує величину усадки заряду і її відхилення від розрахункової становить 4 %; збільшення діаметра свердловини відносно діаметра заряду при наявності додаткового проколу суттєво збільшує як саму усадку, так і відхилення її від розрахункових значень з 32 до 77 %.

Заміри величини усадки свердловинних зарядів у промислових умовах виконано автором на вугільних розрізах Півдня Кузбасу. Досліди проводили в свердловинах діаметром 0,22 м при заряджанні в рукавах діаметром 0,18 м. Глибину свердловин змінювали в діапазоні 15…50 м. Осадовими породами були аргіліти, алевроліти, піщаники. Заряджання свердловин здійснювалось вручну і механізовано грамонітом 79/21. З результатів обробки даних промислових вибухів випливає, що фактична усадка більша від розрахункової на 8…12 %. Основне формування заряду відбувається в перші 2…5 год. Потім швидкість усадки різко зменшується до нуля.

Спостереженнями за процесом засипки, занурення та усадки зарядів ВР при заряджанні в рукави через стовп води в лабораторних і промислових умовах виявлені можливі дефекти:

а) зменшення діаметра поперечного перерізу та згинання рукава в нижній частині свердловини, що пов'язано з розчиненням АС в нижній частині заряду;

б) утворення складок через вимивання ВР водою, що надходить у свердловину внаслідок випадкових проколів рукава та перерв у подаванні ВР при зануренні заряду;

в) зсув частин заряду при великому зазорі між ним і стінкою свердловини через утворення зон розчинення АС;

г) утворення “пробки” при спуску рукава з гальмівного пристрою (або зменшенні довжини рукава порівняно з необхідною);

д) утворення водного проміжку при поділенні рукава на частини.

В усіх випадках при заряджанні з впуском води з свердловини в нижній частині заряду створюється підвищена концентрація нерозчинних компонентів ВР, зокрема тротилу, причому вміст цих компонентів монотонно зменшується у міру віддалення уверх від впускних отворів. Відповідно до кількості твердої фази і розчину селітри з висотою заряду змінюється і кисневий баланс вибухової суміші. Зокрема, для грамоніту 79/21 при rр = (1,25…1,31)Ч103 кг/м3 і К0 = 0,55…0,65 у верхній частині водонаповненого стовпа ВР вміст тротилу відносно загальної маси активних компонентів складає 16…18 %, АС - 82…84 %, у тому числі в розчині 21…26 %. Крім маси активних речовин, присутня вода у кількості 13…18 %.

У нижній частині заряду спостерігається підвищена концентрація тротилу до 74…70 % в розчині АС. Загальна щільність водонаповненого складу (1,35…1,45)Ч103 кг/м3. Розподіл компонентів по висоті залежить від розчинності АС і швидкості поширення води по зазору. Залежність вмісту тротилу від висоти розміщується між прямою лінією і ступінчастою функцією. Аналогічно змінюється кисневий баланс вибухової суміші з нерозчинною сухою фазою (грамоніт 79/21), заповненою розчином АС, і дорівнює 5…8 %. У нижній частині заряду з тротилом у розчині селітри він становить (58…61) %.

Враховуючи, що для тротиловмісних водонаповнених ВР збільшення вмісту тротилу в розчині приводить до збільшення енергетичних і детонаційних параметрів, досягаючи найбільших значень при його вмісті 30…70 %, а при зменшенні вмісту тротилу нижче стехіометричного співвідношення спостерігається різке зменшення чутливості і енерговіддачі водонаповненої суміші, автором теоретично і експериментально досліджена залежність кисневого балансу від висоти обводненої частини заряду. Аналітично показано, що висота заряду зі зниженими характеристиками знаходиться в діапазоні (0,1…0,9) Нр (Нр - висота розчину). За даними лабораторно-промислових експериментів побудовані графічні та аналітичні залежності вмісту тротилу і кисневого балансу суміші від відношення висоти взяття проби в заряді до висоти стовпа розчину.

З результатів розрахунків випливає, що висота стовпа заряду з позитивним кисневим балансом може досягати (0,4…0,6) Нр, що вказує на необхідність обмеження допустимої висоти стовпа води у свердловині або на застосування спеціальних заходів щодо зменшення розшарування заряду при цільовому впуску води з свердловини, а також при випадкових проколах рукава. У зв'язку з цим автором розроблено ряд способів зменшення впливу розшарування ВР і його впливу на ефективність вибуху (табл. 1).

З аналізу результатів лабораторно-полігонних досліджень і даних промислових вибухів, проведених на розрізах “Разрез им. 50-летия Октября” і “Междуреченский” в 1989...1992 рр., а також в кар'єрі Дніпровського РУ ВАТ “Полтавський ГЗК” в 1998...2001 рр. встановлено, що: фундаментальним розв'язком задачі розшарування ВР і зменшення ймовірності появи інших дефектів у заряді з одночасним спрощенням заряджання сильно обводнених свердловин є водонаповнення ВР перед подачею його в рукав з одночасним уведенням розчинних у воді добавок спеціального призначення для гідрофобізації стовпа ВР або закупорка випадкових отворів у рукаві; кількість випадкових пошкоджень обумовлюється, в основному, культурою підготовчого процесу (зберігання на складі, перевезення, укладання на гільзу тощо) і зведена на цей час до 1…2 пошкоджень на 100 м довжини.

У слабообводнених або сухих свердловинах при недостатній величині сили гальмування та відсутності автоматичного керування цією силою в гальмівному пристрої можливе сходження рукава до моменту розміщення в ньому потрібного об'єму ВР, яка розміщується на пробці висотою 0,1…0,4 м з цього стисненого незаповненого верхнього кінця рукава; незадовільна функція гальмування сприяє збільшенню витрати ВР; перевитрата рукава відбувається в результаті переважання сили тертя ВР об рукав над силою гальмування рукава.

Повільна усадка ВР при одночасному підтриманні рукава гальмівною силою і силами тертя незмоченої частини ВР об рукав супроводжується поділенням заряду на частини з утворенням водного проміжку. Зниження ймовірності утворення і розмірів водного проміжку можна досягти зменшенням гальмівної сили в пристрої при зростанні рівня води в свердловині, а також збільшенням щільності заряджання ВР.

Заряджання в рукави при використанні будь-якої технологічної схеми внаслідок можливих збоїв у роботі технічних засобів, фізичних особливостей процесу формування зарядів вимагає підвищеного контролю за станом зарядів. У технологічному процесі необхідно передбачити можливість додаткового заряджання свердловин і оперативної корекції складу заряду.

Застосування рукавів змінює концепцію розроблення ВР і засобів ініціювання. При цьому не обов'язково усувати розшарування ВР при контакті з водою, а необхідно компенсувати кисневий баланс і вибухові властивості на різних ділянках заряду з розшарованою ВР. Засоби ініціювання повинні забезпечувати ініціювання як сухих, так і водонаповнених ВР по всій довжині заряду при будь-яких його дефектах. Для цього розроблена напівемпірична модель дії вибуху ініціюючого заряду в перехідній зоні дії вибуху заряду робочої ВР, яка базується на класичному уявленні про детонаційні процеси з урахуванням значного об'єму експериментальних даних.

З метою перевірки ефективності отриманих аналітичних виразів цього коефіцієнта для ініційованого з торця лінійного заряду, лінійно ініційованого циліндричного заряду та ініційованого з центра сферичного заряду, а також для визначення раціонального діапазону його зміни та закономірностей зміни результатів дії вибуху основного заряду були проведені експериментальні дослідження дії вибуху вертикальних циліндричних зарядів з грамоніту 79/21, які розміщували на поверхні глинистої площадки. Діаметр заряду дорівнював 0,115 м, висота - 0,25; 1,5 і 2,25 їх діаметра, а маса становила відповідно 0,8; 1,6 і 2,4 кг. Заряди ініціювали стовпчиком пресованого тротилу діаметром 0,07 м.

У другій серії експериментів встановлювався зв'язок режиму ініціювання і діаметра воронки викиду при вибуху зарядів висотою 1,2 м, розміщених в свердловинах глибиною 2,5 м і діаметром 0,22 м і 0,32 м. Як ВР для зарядів у рукавах з зазором і без рукавів використовували мокрий грамоніт 79/21, грануліт Т5 і сухий грануліт УП-1А. Лінійна маса зарядів становила 28…50 кг/м. Заряди ділили на групи по 4…6 зарядів і кожну групу, яка характеризувалася типом ВР і масою, ініціювали лінійними ініціаторами (еластит, ТЕН, амоніт 6ЖВ) з лінійною щільністю 0,086…1,033 кг/м.

Встановлено, що: у міру збільшення Ri незалежно від маси ВР, типу заряду в реальному діапазоні 0,05 < Ri < 0,6 результати дії вибуху зарядів (глибина лунки, діаметр воронки) змінюються за складним законом з двома максимумами; процеси вибухового перетворення ВР з повітряним і водним зазорами суттєво відмінні (максимальна ефективність зарядів з повітряним зазором досягається при значеннях Ri, більших в 1,5…1,8 рази, ніж з водним зазором); експериментальна оцінка ефективності дії способів ініціювання свердловинних зарядів свідчить про більш високу руйнівну здатність зарядів з лінійним ініціюванням при оптимальному значенні Ri (середній діаметр воронки при верхньому точковому ініціюванні становить 0,83 діаметра воронки при лінійному ініціюванні); з експериментів випливає, що незалежно від форми заряду і умов підривання при розрахунку ініціатора доцільно обмежитися мінімальним значенням Ri = 0,075... 0,08, оскільки при менших значеннях Ri спостерігаються сліди неповного і нестійкого перетворення ВР (розкладання ВР, сажа на поверхні лунок, відсутність воронок викиду тощо).

На основі аналізу теоретичних і експериментальних досліджень розроблені вимоги до основних варіантів зарядів ВР, які забезпечують необхідний режим ініціювання, та основні принципові конструкції і варіанти розміщення лінійних ініціаторів. Автором спільно з спеціалістами ВАТ “Взрывпром Юга Кузбасса”, Новосибірського механічного заводу, Павлоградського хімічного заводу, ВАТ “Полтавський ГЗК”, Кривбасвибухпрому розроблено значну кількість варіантів лінійних ініціаторів з використанням ТЕНу, амоніту 6 ЖВ, гелексу-650 при підриванні водонаповненого і сухого грамонітів 79/21 і сухих гранулітів. Практично всі результати проведених випробувань підтвердили правильність отриманих теоретичних результатів. Зокрема, для надійного ініціювання водонаповненого грамоніту діаметром 0,18 м необхідний ініціатор з наважкою ТЕНу 0,25…0,28 кг/м, гелексу-650 - 0,6…0,8 кг/м, з наважкою амоніту 6 ЖВ щільністю 1,0…1,05 Ч 103 кг/м3 - 1,0 кг/м.

П'ятий розділ присвячено розробленню способів і технічних засобів для підготовки зарядів ВР у полімерних рукавах і заряджання ними свердловин. На відміну від відомої концепції про необхідність заряджання неводостійкої ВР в обводнену свердловину без порушення гідроізолюючих властивостей рукава, автор запропонував інший підхід: рукав використовується не для повної гідроізоляції заряду, а для різкого зменшення вимивання розчинних компонентів ВР. У цьому випадку можуть бути використані ВР, які здатні до детонації у водонаповненому стані або такі, що здатні блокувати надходження води через розрив у рукаві, зокрема за рахунок різкого набухання спеціальних компонентів. При цьому може також здійснюватися цільове наповнення заряду водою з свердловини через проколи в рукаві або дозуючі клапани. Це забезпечує необхідне ущільнення заряду для його потоплення і зменшує несприятливий технологічний вплив випадкового фактора - несанкціонованих розривів рукава. Цьому сприяє також уведення різних компонентів у склад ВР, що зменшує її вимивання.

Розроблені способи заряджання сипучих ВР з щільністю, меншою від густини води в свердловині: з попереднім розміщенням рукава в свердловині і формуванням заряду від дна свердловини; з покриттям стінок свердловини рукавом; з вивертанням рукава; з формуванням заряду від устя свердловини. Досліджена ймовірність розриву рукава в процесах усіх технологічних операцій з підготовки пакета рукава і заряджання в нього ВР. Встановлено, що з застосуванням спеціальних заходів захисту рулону і пристрою подачі рукава кількість розривів або проколів може бути зменшена в 2…4 рази. Однак в умовах масового виробництва повністю запобігти цьому неможливо. Кількість розривів рукава, пов'язаних з процесом його укладки, визначається конструкцією і рівнем виконання робочого органа машини для складання рукавів і може бути практично зведена до нуля. Ймовірність розривів рукавів вивчалась при киданні або опусканні в свердловину зарядів у рукаві масою 30…35 кг. Контроль наявності розриву проводився на ділянці розміщення заряду після його підйому на поверхню і заливання водою. Особливості процесу формування зарядів вивчалися на моделях свердловин і в натурних умовах. У першому випадку труби з скла діаметром 0,14 м і довжиною 1,5 м герметизували з нижнього торця і ставили на грунт. Проводили 3 серії дослідів. Спочатку в труби засипали грамоніт 79/21 в чистому вигляді з водним розчином сульфанолу різної концентрації. Зверху утвореного стовпа ВР заливали воду. У другій серії в трубу попередньо заливали воду, в яку потім опускали заряд ВР у поліетиленовому рукаві, який герметизували внизу і проколювали 10 отворів. У третій серії дослідів додатково на висоті 0,5 м від нижнього торця проколювали ще 10 отворів, ширина зазору складала 0,005 м. Процес усадки заряду і проникнення води контролювали через 1 годину і через добу після розміщення в трубі всіх компонентів. В усіх дослідах об'єм вибухової суміші становив 11,3 дм3.

З аналізу результатів дослідів випливає, що: уведення в грамоніт 79/21 біля 10 % розчину сульфанолу з концентрацією 15…25 % збільшує щільність заряду до 1,118…1,175 кг/дм3 і зменшує розчинність і винесення аміачної селітри з заряду; додавання розчину сульфанолу або впускання води в заряд у рукаві забезпечує його безперешкодне затоплення з витісненням води по кільцевому зазору між зарядом і стінкою труби; швидкість занурення при впуску води в заряд залежить від швидкості проникнення в нього води; у місцях розміщення отворів у рукаві утворюються зони з підвищеним (до 80 %) вмістом тротилу, кількість якого рівномірно зменшується по мірі віддалення від отворів; винесення селітри з рукава через отвори практично відсутнє через ущільнення заряду і збільшення в'язкості розчину аміачної селітри; рівень розчину в рукаві при використанні чистої ВР нижчий від рівня води в зазорі між зарядом і стінкою труби і визначається співвідношенням густини розчину і води та місцем розміщення отворів; в ділянці верхньої границі розчину аміачної селітри можливе порушення суцільності заряду з поділом його на дві частини, нижня з яких з часом за рахунок усадки, кристалізації селітри з розчину і витіснення зайвого розчину селітри ущільнюється до монолітного стовпа з щільністю 1,35…1,45 кг/дм3, а верхня частина заряду складається з вихідної вибухової суміші (без розчину аміачної селітри). Проміжок між частинами заряду всередині рукава частково заповнений розчином селітри і обтиснений тиском зовнішнього стовпа води. Формування частини заряду в основному завершується через 5…6 годин. Протягом 3…5 діб помітних змін з зарядами немає.

Тривалими, протягом 3…4 діб, спостереженнями в натурних умовах виявлено, що після завершення процесу формування заряду він зберігає свої параметри, зокрема висоту, при будь-якій обводненості. Крім виявлених особливостей застосування розроблених способів заряджання, в роботі обґрунтована доцільність попереднього механізованого укладання рукава в стаціонарних умовах в пакет, доставки його на блок, установлення в устя свердловини або на зарядну машину і засипання в нього ВР. При необхідності здійснюється завантаження заряду шляхом заливання води або розчину речовин одночасно з подаванням сипучої ВР або довантаження заряду шляхом впуску води з свердловини в заряд через проколи в рукаві.

Розроблені способи подачі рукава з попереднім укладанням його в пакет, вивчені їх особливості, виконано аналіз діючих сил та їх зміни в процесі опускання рукава в свердловину. Отримані формули для визначення: необхідної довжини рукава для розміщення стовпа ВР і його зміни при ущільненні (усадці, згинанні, огинанні нерівностей свердловини тощо); довжини рукава між виступами в свердловині; максимальної потужності потоку ВР залежно від діаметра циліндричного отвору; граничного значення його діаметра та інших параметрів і умов, що в сукупності забезпечує можливість безпечного (без розривів) гальмування рукава.

Розроблені пристрої подачі рукава багаторазового і одноразового використання, опрацьовані принципи їх дії в даній технології. Ці пристрої виготовлені, апробовані в масовому виробництві і зарекомендували себе позитивно. Розроблені способи і технічні засоби укладання полімерного рукава в пакет (в “гармошку”), запропоновані аналітичні формули для визначення їх параметрів. Опрацьовані принципи роботи цих технічних засобів і досліджені особливості взаємодії їх механізмів і вузлів.

Розроблена конструкція машини для укладання рукавів в пакет не має аналогів у вітчизняній і зарубіжній практиці. Новизна цих розробок захищена патентами на винаходи. Шість таких машин виготовлено і впроваджено на вугільних розрізах Росії (в Кузбасі).

З урахуванням результатів досліджень розроблена методика розрахунку параметрів підривних робіт із застосуванням технології заряджання свердловин зарядами ВР в полімерних рукавах, в основу якої покладені закономірності руйнування анізотропних гірських порід з відповідним радіусом руйнування для стандартної ВР. Перехід до інших типів ВР і умов підривання здійснюється за опрацьованими формулами. Розроблена методика використовується при виконанні підривних робіт на вугільних розрізах Кузбасу (Росія), нерудних і залізорудних кар'єрах України.

У шостому розділі викладена перспектива розвитку технології підривних робіт свердловинними зарядами в рукавах і результати впровадження розробок автора.

На основі результатів досліджень були обґрунтовані основні варіанти конструкцій зарядів, які можуть забезпечити отримання значного економічного ефекту (табл. 2). Указані фізико-технічні ефекти можуть реалізовуватися при вибухах як окремо, так і в сполученні. Зокрема, неводостійка ВР у рукавах може бути без зазору і з зазором біля стінки свердловини, заповненим водою в обводненій частині і повітрям - у сухій частині свердловини. Максимальна ефективність реалізації таких зарядів досягається застосуванням ВР спеціальних типів. В обводнених умовах внаслідок захисних властивостей рукавів контакт колонки заряду ВР з водою різко обмежений і можливий тільки в місцях проколів і розривів. У цьому випадку необхідно застосувати вибухові склади, які блокують або зменшують кількість води, що проникає в заряд через зазначені дефекти заряду (ВР з гідрорезистивними властивостями, які можуть бути досягнуті при застосуванні набухаючих і гелеутворюючих компонентів, а також речовин з гідрофобними властивостями). При цьому на момент вибуху важливим є сумарне водонасичення заряду, оскільки воно значною мірою обумовлює технологічні та енергетичні параметри вибуху. Зниження рівня водопоглинання до 10...15 % досягається також включенням у склад заряду дрібнозернистих речовин (розміри частинок менші 0,001 мм) в кількості по об'єму 20...40 %. Установлено, що для сумішей з подрібненою аміачною селітрою мінімальне водопоглинання не відповідає найменшій пористості композиції, що пояснюється особливостями розчинення селітри і процесу водопоглинання. Уведення в склад стисливих компонентів, зокрема вати кордного волокна, забезпечує реалізацію ефекту стисливості під дією власної ваги ВР і тим самим створює умови для диференційованого розподілу енергетичних характеристик (збільшення щільності ВР зверху вниз по довжині заряду). Зміну енергетичних характеристик заряду ВР можна створювати в значному діапазоні висоти заряду (8...10 м) підбором різних компонентів. Були розроблені нові вибухові склади для заряджання свердловин зарядами в рукавах залежно від умов застосування, функції рукава та інших факторів.

Перевірка результатів, висновків і рекомендацій роботи, а також їх впровадження виконані в умовах гірничовидобувних підприємств в Україні (вапнякові і гранітні кар'єри - Гніванський, Мало-Бузлукський, Полонський, Демидовський; залізорудні кар'єри ГЗК Кривбасу - ІНГЗК, ЦГЗК, кар'єри Полтавського ГЗК) і на вугільних розрізах Півдня Кузбасу Росії (Калтанський, Красногорський, Томусинський, Сибіргінський та інші). В усіх випадках розроблювані родовища корисних копалин характеризувалися складними умовами залягання і різним ступенем тріщинуватості. У вапнякових кар'єрах коефіцієнт міцності порід (вапняки, доломіти) за шкалою проф. М.М. Протодяконова становив 6...12, у гранітних кар'єрах (граніти, мігматити, гнейсограніти, діорити та інші) - 9...18, в залізорудних кар'єрах (різновиди залізисті кварцити) - 8...18, у вугільних розрізах (алевроліти, аргіліти, піщаники) - 5...10, рідше до 11...13. Породи розробляли уступами висотою 10...20 м у нерудних і залізорудних кар'єрах України і 15...50 м - у вугільних розрізах Південного Кузбасу.

Основні параметри підривних робіт вибирали згідно з проектами гірничовидобувних підприємств, в які вносилися зміни відповідно до рекомендацій автора, отриманих у результаті виконаних досліджень. Економічна ефективність від впровадження розробок визначена, виходячи з об'єму заряджання в рукави за період з 1995 по 2001 рр. на вугільних розрізах Росії, за рахунок зниження вартості і витрати вибухових речовин в сумі 49229814 крб. При цьому оцінка технічної ефективності розробленої технології заряджання виконувалася за якістю руйнування гірських порід, яка визначалася виходом негабаритних фракцій у розвалі гірничої маси, змінною продуктивністю екскаваторів при навантаженні її в забоях кар'єру (розрізу), а також станом пилогазових викидів у атмосферу після вибуху.

При впровадженні розроблених автором технології і технічних засобів заряджання сипучих ВР в поліетиленові рукави в кар'єрах, що обслуговуються ВАТ ПВП “Кривбасвибухпром”, за рахунок заміни водостійкого ВР (гранулотолу) на запропоновані автором неводостійкі ВР (полімікс ГР5-20, полімікс ГР5-18) протягом 2001 р.-лютого 2002 р. отримано економічний ефект у сумі 607,992 тис. грн. Протягом 1999...2001 рр. у кар'єрі ВАТ “Полтавський ГЗК” за розробками автора було підірвано 40515 свердловинних зарядів і за рахунок зниження питомої витрати ВР в середньому на 6,6 % отримано економічний ефект у сумі 10703001 грн.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота Прокопенка В.С. є закінченою науковою працею, в якій розв'язана важлива науково-прикладна проблема розроблення та впровадження фізико-технічних основ руйнування скельних порід вибухами свердловинних зарядів вибухових речовин в рукавах, забезпечуючи значне зниження витрати і вартості застосовуваних ВР, що має велике значення в гірничовидобувній промисловості.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації, які отримані при виконанні досліджень і впровадженні розробок:

1. Аналітичний огляд відомих джерел показав, що одним з прогресивних засобів підвищення економічної ефективності підривних робіт у кар'єрах є використання зарядів ВР у рукавах із зазорами між зарядами і стінками свердловин. Проте широке їх застосування стримувалося, оскільки: недостатньо повно досліджено механізм дії таких зарядів залежно від властивостей матеріалу, що заповнює зазор; практично не досліджувалися і не встановлені раціональні величини зазорів для конкретних порід і порівняльна ефективність їх заповнювачів (вода, повітря) і не проведені дослідження закономірностей динамічного та квазістатичного формування свердловинних зарядів ВР у рукавах, що виключало гарантовану можливість заряджання обводнених свердловин; відсутнє обґрунтування раціональних режимів ініціювання ВР у рукавах для підвищення ефективності їх вибуху; не розроблені і не обґрунтовані способи та технічні засоби формування зарядів у рукавах; не розроблені вимоги до властивостей ВР у рукавах, способи отримання цих властивостей і склади, що задовольняють таким вимогам; відсутні науково обґрунтовані рекомендації щодо розрахунку параметрів підривних робіт з використанням зарядів у рукавах. Зазначені складні теоретичні та прикладні задачі в єдиному комплексі відображають суть даної проблеми.

2. Вперше, з використанням сучасної пружно-пластичної дилатансійної моделі гірської породи В.М. Ніколаєвського, математично поставлена і чисельно розв'язана початково-крайова задача про дію вибуху в скельній породі свердловинного заряду ВР у рукаві з зазором між зарядом і стінкою свердловини; отримані закономірності зміни напружено-деформованого стану порід залежно від віддалі до вибуху і часу, швидкості дилатансії, міцності порід і характеристик ВР, відношення радіуса свердловини до радіуса заряду, речовини зазору (вода, повітря); показано, що кількісну оцінку параметрів вибуху в системі “продукти детонації-порода” доцільно виконувати лише при урахуванні зв'язаності полів термодинамічних параметрів цієї системи, оскільки зв'язаність задачі приводить до суттєвих уточнень значень розрахункових параметрів стану середовищ системи.

3. Підвищення ефективності вибуху заряду в рукаві з зазором біля стінки свердловини, заповненим водою або повітрям, досягається за рахунок зниження максимального тиску в ближній зоні і збільшення його в середній і дальній зонах дії, збільшення тривалості імпульсу тиску, а також посилення часової і просторової нерівномірності динамічного навантаження скельних порід.

4. Уперше теоретично встановлено і експериментально підтверджено діапазон раціональної зміни відношень діаметрів свердловин до діаметрів заряду, рівний 1,22...1,37, що забезпечує збільшення радіуса руйнування дії вибуху заряду з зазором порівняно з суцільним зарядом на 17...23 % при повітряному зазорі і на 22...30 % - при заповненні зазору водою; ефективність дії зазору за розміром зони руйнування по мірі збільшення категорії трудності вибухового руйнування зменшується з 27...30 % в легкопідривних породах до 17...18 % - у труднопідривних породах.

5. Уперше розроблені математичні моделі, які описують динаміку дискретно-порційного і неперервного формування свердловинних зарядів ВР у рукавах. В основу моделей покладені рівняння руху матеріальної точки змінної маси (рівняння Мещерського) і рівняння фільтрації води всередину тіла-рукава у випадку свердловин, частково заповнених водою. Розрахунковим шляхом, з використанням точних і наближених напівемпіричних методів, досліджені характер і особливості руху тіл-зарядів ВР у рукавах змінної маси. Показано, що для будь-якої комбінації параметрів задачі залежність максимальної глибини занурення від такого важливого параметра, як сумарний коефіцієнт фільтрації води з свердловини в рукав з ВР, має характерний пікоподібний вигляд. У режимі лівіше цього піка реалізується “пересип”, а в режимі правіше піка реалізується захлюпування ВР водою. На основі цього фундаментального факту розроблено метод побудови діаграм, які забезпечують вибір режиму і параметрів подачі ВР в найбільш типових умовах.

6. Уперше визначені основні параметри, які обумовлюють реалізацію режиму неперервного завантаження свердловини рукавом з ВР. При заданих діаметрах свердловини і рукава, а також сили гальмування рукава такими параметрами є: глибина свердловини Н, висота стовпа води Нв, кут відхилення осі від нормалі до поверхні ґрунту a, сумарний коефіцієнт фільтрації аф води з свердловини в рукав, витрата ВР в одиницю часу Q. Досліджено ступінь і характер впливу кожного з цих факторів на характер завантаження.

7. Сформульовані способи розв'язання задачі формування свердловинних зарядів у випадках неможливості забезпечення неперервного завантаження ВР для заданих значень Н, Нв і a в межах усього діапазону значень аф:

а) використання дискретно-порційного способу завантаження свердловини з періодичним опусканням усередину її тіл-рукавів з ВР;

б) доливання в свердловину води до необхідного рівня, щоб забезпечити попадання на діаграмі стану в потрібну область (без захлюпування, пересипу);

в) застосування комбінованого підходу з використанням у початковій стадії дискретно-порційного завантаження свердловини до певної глибини, а потім - з неперервним завантаженням ВР у рукав.

8. Уперше встановлено, що квазістатична стадія процесу формування заряду сипкої аміачно-селітряної ВР у рукаві закінчується в основному протягом 2...5 годин; запропоновано усадку ВР в рукаві характеризувати коефіцієнтом усадки, розрахункові значення якого необхідно збільшувати в 1,05...1,15 раз для компенсації не врахованих у проекті факторів (згину заряду, часткового вимивання ВР через технологічні проколи рукава, переупаковку твердої фази ВР тощо), що реалізується збільшенням маси ВР на 10...15 % на стадії проектування.

9. Уперше встановлена в процесі формування зарядів у рукавах можливість виникнення двох причин дефектних відхилень від проектного стану: перша причина визначається умовами формування заряду (зменшення поперечного перерізу заряду, складкоутворення і порушення кисневого балансу ВР в околі технологічних отворів при впуску води з свердловини, утворення водного проміжку при передавленні частини гнучкого рукава водою і недохід плаваючого заряду до дна свердловини), друга причина визначається випадковими факторами - проколами, розривами і обривами рукава, що не підлягає прогнозуванню.

10. Установлено, що надійне ініціювання з ефектом управління руйнівною дією вибуху зарядів у рукавах може бути реалізоване створенням режиму перестисненої детонації у об'ємі всього заряду. Розроблений емпіро-аналітичний метод обґрунтування раціональних режимів ініціювання забезпечує можливість оцінки параметрів системи ініціювання при реалізації його в одно-, дво- і тривимірному варіантах. Ініціювання здійснюється зарядами більш щільної і з більшою швидкістю детонації проміжної ВР порівняно з робочою ВР: в одновимірному варіанті детонаційного процесу по висоті заряду розміщуються поперек ініціюючі елементи з середнім лінійним розміром, рівним 0,85...0,95 діаметра заряду, на віддалі один від іншого 20...50 товщин елементів; у двовимірному - уздовж заряду неперервно або переривисто розміщуються лінійні ініціатори з поперечним розміром 0,25...0,245 діаметра заряду; у тривимірному варіанті - послідовно уздовж заряду розміщуються точкові ініціатори діаметром 0,06...0,39 діаметра основного заряду.

11. Уперше розроблені основи конструювання пристроїв подачі рукава і технічних засобів укладання рукава в ці пристрої у вигляді гофрованого пакета з отвором з урахуванням технологічних вимог і силових навантажень на рукав, а саме: визначена раціональна довжина рукава і геометрія його укладки в пакет; установлено найменший переріз отвору для пропуску ВР, визначена гранична сила притиснення рукава в процесі його гальмування.

12. Уперше розроблені пристрої подачі рукава багаторазового і одноразового користування і опрацьовані принципи їх дії в технології заряджання свердловин. Ці пристрої апробовані в достатньому обсязі на практиці і позитивно себе зарекомендували.

13. Уперше розроблена оригінальна конструкція машини для укладання рукавів у пакет, яка не має аналогів у вітчизняній і зарубіжній практиці. Шість таких машин виготовлено і впроваджено на вугільних розрізах Кузбасу. За рахунок виключення ручної праці при укладанні рукавів у пакети досягнута висока продуктивність підготовки рукавів і забезпечені великі об'єми використання технології заряджання в рукави.

14. Розроблені науково обґрунтовані рекомендації щодо розрахунку параметрів підривних робіт і формування рецептур для технології заряджання свердловин зарядами ВР в рукавах.

Розробки автора впроваджені і використовуються при проведенні підривних робіт на вугільних розрізах Кузбасу (Росія), кар'єрі Полтавського ГЗК і кар'єрах, які обслуговуються ПВП “Кривбасвибухпром” з високою економічною ефективністю.

Результати дисертації мають високу ступінь готовності до більш широкого впровадження в інших кар'єрах гірничих підприємств України.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В ПРАЦЯХ

1. Галимуллин А.Т., Прокопенко В.С. Совершенствование буровзрывных работ в обводненных условиях угольных разрезов // Оборудование непрерывного действия и поточная технология на угольных разрезах. - К.: УкрНИИпроект. - 1988. - С. 27-30.

2. Прокопенко В.С., Завьялов И.Я., Тимошин В.И. Совершенствование взрывных работ в условиях разрезов Южного Кузбасса // Уголь. - М.: Минуглепром СССР. - 1997. - № 3. - С. 14-16.

3. Гидроизолированные заряды неводоустойчивых ВВ при взрывах / В.Д. Воробьев, А.И. Крючков, В.С. Прокопенко, И.В. Косьмин // Уголь Украины. - К.: Техника. - 1998. - № 10. - С. 15-18.

4. Підвищення безпеки і ефективності вибухів гідроізольованих зарядів неводостійких вибухових речовин в обводнених породах /В.Д. Воробйов, В.С. Прокопенко, І.В. Косьмін, М.В. Рєпін // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 1998. - Вип. 1. - С. 96-107.

5. Прокопенко В.С. Обґрунтування ефективності вибуху свердловинних зарядів у полімерних оболонках // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”. - 1999. - Вип. 1. - С. 52-67.

6. Прокопенко В.С. Підвищення безпеки та ефективності лінійного ініціюван-ня зарядів найпростіших вибухових речовин в оболонках // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 1999. - Вип. 2. - С. 103-108.

7. Прокопенко В.С. Повышение полезной энергии взрыва удлиненных зарядов взрывчатых веществ в гидроизолирующих оболочках // Проблемы создания новых машин и технологий. - Кременчуг: КГПИ. - 1999. - Вип. 2/1999(7). - С. 411-413.

8. Гидроизолированные заряды взрывчатых веществ при разрушении обводненных пород / А.А. Вовк, В.Д. Воробьев, В.С. Прокопенко, В.И. Плужник, И.В. Косьмин // Прикладная гидромеханика. - К.: ИГМ НАН Украины. - 1999. - Т. 1 (73). - № 4. - С. 3-9.

9. Прокопенко В.С. Расчет параметров массовых взрывов скважинных зарядов в оболочках // Уголь Украины. - К.: Техника. - 2000. - № 1. - С. 24-28.

10. Стратегия развития взрывного дела в Южно-Кузбасском регионе / В.И. Тимошин, И.В. Тимошин, А.В. Зыков, В.С. Прокопенко // Открытые горные работы. - М.: Недра. - 2000. - С. 48-51.

11. Застосування зарядів з повітряним зазором для підвищення безпечності та ефективності вибухів у свердловинах / В.Д. Воробйов, О.М. Масюкевич, В.С. Прокопенко, І.В. Косьмін // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2000. - Вип. 3. - С. 18-25.

12. Прокопенко В.С. Динаміка формування свердловинних зарядів вибухових речовин у полімерних оболонках // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2000. - Вип. 2. - С. 41-50.

13. Прокопенко В.С. Деформирование горных пород при взрывах скважинных зарядов в водных оболочках с учетом дилатансии // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2000. - Вип. 3. - С. 3-13.

14. Прокопенко В., Косьмин И., Лещ П. Совершенствование и разработка взрывчатых веществ местного приготовления // Охрана труда. - К.: Основа. - 2000. - № 12. - С. 31-34.

15. Прокопенко В.С. Влияние водных и воздушных оболочек на эффективность взрывов скважинных зарядов // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2000. - Вип. 4. - С. 31-36.

16. Прокопенко В.С., Туручко І.І., Косьмін І.В. Нові вибухові речовини місцевого приготування // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2001. - Вип. 4. - С. 161-165.

17. Прокопенко В.С. Определение параметров и условий рационального формирования скважинных зарядов взрывчатых веществ в рукавах // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2001. - Вип. 5. - С. 34-40.

18. Прокопенко В.С. Обоснование способов и устройств подачи полимерного рукава при заряжании скважин взрывчатыми веществами // Вісник ЖІТІ. Технічні науки. - 2002. - № 20. - С. 179-183.

19. Прокопенко В.С. Особенности формирования неводоустойчивых зарядов взрывчатых веществ в полимерных рукавах при заряжании скважин // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - Київ: НТУУ “КПІ”. - 2002. - Вип. 6. - С. 40-50.

20. Прокопенко В.С. Разработка устройств подачи полиэтиленовых рукавов многоразового и одноразового использования при заряжании скважин // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - Київ: НТУУ “КПІ” - 2002. - Вип. 7. - С. 39-44.

21. Прокопенко В.С. Зв'язана задача вибуху свердловинного заряду всередині водної оболонки у гірському масиві // Вісник ЖІТІ. Технічні науки. - 2002. - № 22. - С. 168-172.

22. Вплив повітряного радіального зазору у свердловині із зарядом на параметри імпульсу вибуху /В.Д. Воробйов, О.М. Масюкевич, В.С. Прокопенко, І.В. Косьмін // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2002. - Вип. 5. - С. 48-53.

23. Рекомендации по снижению энергоемкости буровзрывных работ на карье-рах / В.Д. Воробьев, А.И. Крючков, В.С. Прокопенко, П.И. Толкач, А.А. Фролов. - Киев: НТУУ “КПИ”, 1996. - Ч. 4. - 66 с.

24. Развитие технологии изготовления ВВ на местах потребления и технологических средств заряжания в рукава при освоении энергии взрыва / В.С. Прокопенко, И.В. Тимошин, А.В. Зыков, А.Е. Буданов // Сборник докл. На ІІІ Междунар. конф. по буровзрывным работам. - М.: ЦНИИЭИ. - 1997. - С. 32-43.

25. Использование гидроизолирующих оболочек зарядов ВВ при разрушении обводненных пород / А.А. Вовк, В.Д. Воробьев, В.И. Плужник, В.С. Прокопенко, И.В. Косьмин // Geotechnika 98.VIII Mitdzynarodowe Simpotium. - Gliwice-Ustreъ: Politechnika Slaska Wydzial Gуrnictwa i Geologii. - 1998. - S. 207-222.

26. Пат. 2152586 России, МПК F42D 1/02, 3/04. Заряд взрывчатого вещества (варианты) / В.С. Прокопенко (Украина), И.В. Тимошин, В.И. Тимошин, С.А. Поздняков (Россия) - № 99106002; Заявл. 25.03.1999; Опубл. 10.07. 2000, Бюл. № 9. - 15 с.

27. Пат. 45074 А України, МПК С06В 31/28. Спосіб формування водонаповнюваної вибухової речовини і заряду водонаповненої вибухової речовини, водонаповнена вибухова речовина / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко, І.В. Косьмін, І.І. Туручко (Україна). - № 2001042851; Заявл. 25.04.2001; Опубл. 15.03.2002, Бюл. № 3. - 15 с.

28. Пат. 30717 України, МПК F42D 1/08. Пристрій для заповнення низхідних свердловин речовиною в рукав / А.Н. Кірєнков, В.І. Тімошин, В.Д. Павлічук, І.В. Тімошин, А.Є. Буданов (Росія), В.С. Прокопенко (Україна). - № 98042057; Заявл. 28.04.98; Опубл. 15.12.2001, Бюл. № 6. - 7 с.

29. Пат. 44305 України, МПК F42D 1/08. Спосіб розміщення речовини у рукаві у низхідній свердловині / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 97104851; Заявл. 02.10.97; Опубл.15.02.2002, Бюл.№ 2. - 12 с.

30. Пат. 37064 А України, МПК С06В 21/00. Спосіб формування пороховмісного свердловинного заряду / В.С. Прокопенко, І.В. Косьмін, І.І. Туручко (Україна). - № 2000031507; Заявл. 16.03.2000; Опубл. 16.04.2001; Бюл. № 3. - 3 с.

31. Пат. 42101 України, МПК F42D 1/08. Спосіб розміщення речовини в рукаві в низхідній свердловині / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 98095003; Заявл. 24.09.98; Опубл. 15.10.2001, Бюл. № 9. - 5 с.

32. Пат. 24117 України, МПК F42D 3/00. Набій для обводнених свердловин / В.С. Прокопенко (Україна). - № 1630440; Заявл. 8.06.88; Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4. - 4 с.

33. Пат. 23031 України, МПК F42 В 3/00. Спосіб заповнення низхідних свердловин речовиною в рукав і пристрій для його здійснення / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 95125561; Заявл. 04.12.95; Опубл. 30.06.98; Бюл. № 3. - 13 с.

34. Пат. 36283 А України, МПК F42 В 3/00. Спосіб вибухового дроблення скельних гірських порід (його варіанти) / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 99116455. - Заявл. 29.11.1999; Опубл. 16.04.2001; Бюл. № 3. - 3 с.

35. Пат. 2104473 России, МКИ F42 D 1/08. Способ заполнения нисходящих скважин веществом в рукав и устройство для его осуществления / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 96123451; Заявл.18.12.96; Опубл. 10.02.98, Бюл. № 4. - 14 с.

36. Пат. 2111450 России, МКИ F42D 1/08. Устройство для заполнения нисходящих скважин веществом в рукав / В.С. Прокопенко (Украина), В.И. Тимошин, В.Д. Павличук, И.В. Тимошин, А.Е. Буданов (Россия); № 97113130; Заявл.13.08.97; Опубл. 20.05.98, Бюл. № 4. - 11 с.

37. Пат. 2132040 России, МКИ F42D 1/08. Способ размещения вещества в рукаве в нисходящей скважине / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Украина). - № 9718373; Заявл. 14.11.97; Опубл. 20.06.99; Бюл. № 17. - 20 с.

38. Пат. 1630440 России, F42D 3/00. Заряд для обводненных скважин / В.С. Прокопенко (Украина). - № 4436809; Заявл. 08.06.1988; Действует с 15.03.95. - 4 с.

39. Пат. 1433112 России, МКИ Е21С 37/00. Устройство для укладки пленоч-ного рукава в пакет / В.С. Прокопенко, Г.С. Бутенко, И.В. Павловская (Украина), В.Я. Закиев (Россия). - № 4110462; Заявл. 16.06.86; Действует с 26.03.96. - 3 с.

40. Пат. 24116 України, МПК F42D 1/06. Спосіб підривання свердловинного набою / В.С.Прокопенко, А.В. Прокопенко. - № 4278061; Заявл.15.05.87; Опубл. 31.08.98, Бюл.№ 4. - 4 с.

41. Пат. 37881 А України, МПК F42D 1/00. Спосіб підвищення водостійкості сипкої вибухової речовини / В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко (Україна). - № 2000042429; Заявл. 27.04.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. № 4. - 4 с.

42. Пат. 39913 України, МПК F42D 3/00. Спосіб формування свердловинного заряду і вибухова речовина для його здійснення / Г.К. Биков, Д.Г. Биков, І.В. Косьмін, М.Ф. Кучма, К.В. Лотоус, В.С. Прокопенко, А.В. Прокопенко, І.І. Туручко (Україна). - № 99074112. - Заявл. 16.07.1999; Опубл. 16.04.2001, Бюл. № 6. - 4 с.

43. Пат. 35947 А України, МПК F42D 3/087. Спосіб висаджування тріщинуватих та шаруватих порід і патронований заряд для його реалізації / Є.К. Биков, О.І. Макаров, В.С. Прокопенко, О.О. Фролов (Україна). - Заявл. 13.05.1999; Опубл. 16.04.2001, Бюл. № 3. - 2 с.

44. Пат. 24118 України, МПК F42D 3/04. Спосіб вибухового руйнування гірських порід / В.С. Прокопенко (Україна). - № 4752241; Заявл. 23.10.89; Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4. - 5 с.

Размещено на Allbest.ru