Підвищення ефективності дії свердловинних розосереджених зарядів для руйнування гірських порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний комітет України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду

Національний науково-дослідний інститут промислової безпеки та охорони праці

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ДІЇ СВЕРДЛОВИННИХ РОЗОСЕРЕДЖЕНИХ ЗАРЯДІВ ДЛЯ РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД

Спеціальність 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

ВОРОБЙОВА ЛАРИСА ДМИТРІВНА

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науково-дослідному інституті промислової безпеки та охорони праці Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду та Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор

Данилович, Національний науково-дослідний інститут промислової безпеки та охорони праці, завідувач лабораторії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Заслужений діяч науки і техніки України Луговий Петро Захарович, Інститут механіки НАН України, завідувач відділом

кандидат технічних наук, доцент Фролов Олександр Олександрович, Національний технічний університет України “КПІ”, доцент кафедри геобудівництва та гірничих технологій Інституту енергозбереження та енергоменеджменту

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, відділ механіки вибуху, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “14” червня 2007 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.802.01 в Національному науково-дослідному інституті промислової безпеки та охорони праці за адресою: 04060, м. Київ, вул. Вавилових, 13.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного науково-дослідного інституту промислової безпеки та охорони праці за адресою: 04060, м. Київ, вул. Вавилових, 13.

Автореферат розісланий “8” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., доцент Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

свердловинний заряд розосереджений вибух

Актуальність роботи. Розробка корисних копалини, утворених міцними гірськими породами, здійснюється з використанням вибухових робіт. У даний час більше 80% об'ємів гірських порід на залізорудних кар'єрах розробляється із застосуванням енергії вибухових робіт, що зумовлює ефективність усіх подальших технологічних процесів добування і переробки корисних копалин.

Останнім часом одним із перспективних напрямів підвищення ефективності вибухових робіт є використання при відкритій розробці корисних копалин удосконалених конструкцій свердловинних зарядів, серед яких необхідно відзначити розосереджені заряди і заряди з радіальним зазором. Застосування даних зарядів дозволяє істотно знизити витрати на вибухові речовини (ВР). Широке впровадження свердловинних розосереджених зарядів при вибуховому руйнуванні міцних гірських порід стримується погіршенням подрібнення середовища в зоні повітряного проміжку, а також відсутністю простих і технологічних пристроїв для формування повітряного проміжку. Виходячи з цього, подальше вдосконалення даного способу вибухового відбою гірських порід є актуальним науковим завданням вибухової справи, успішне розв'язання якого дозволить підвищити ефективність вибухового руйнування гірських порід і одержати значний економічний ефект.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до плану досліджень, які проводилися на кафедрі технічної механіки Кременчуцького державного політехнічного університету, і є складовою частиною наступних НДР: “Дослідження впливу газодинамічних процесів при детонації на механізм вибухового тріщиноутворення” (№ ДР 0102U004066, КДПУ), “Розробка раціональних параметрів кумулятивних замикаючих пристроїв для свердловинних зарядів” (№ ДР 0106V000050, КДПУ), у яких автор брала участь як виконавець.

Ідея роботи полягає в підвищенні тиску продуктів детонації в повітряному проміжку за рахунок використання кумулятивного ефекту у верхній частині розосередженого заряду.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - підвищення ефективності вибухового руйнування гірських порід розосередженими свердловинними зарядами, яке досягається за рахунок концентрації енергії в повітряному проміжку і збільшення щільності замикання продуктів детонації в свердловині.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні завдання:

- на підставі аналізу стану вибухових робіт на кар'єрах, особливостей вибухового руйнування гірських порід та існуючих раціональних конструкцій свердловинних зарядів, обґрунтувати напрям удосконалення конструкцій розосереджених свердловинних зарядів;

- теоретично дослідити вплив параметрів кумулятивного заряду на зміну тиску продуктів вибуху в зоні повітряного проміжку;

- теоретично обґрунтувати раціональне розташування бойовиків в окремих частинах розосередженого заряду;

- експериментально дослідити вплив конструкції розосередженого заряду з кумулятивним ефектом на вибухове руйнування гірських порід;

- експериментально дослідити можливість підвищення щільності замикання продуктів детонації у свердловині при використанні зарядів у полімерних рукавах;

- розробити пристрій для формування розосередженого свердловинного заряду з кумулятивним ефектом.

Об'єкт досліджень - процеси вибухового руйнування гірських порід і формування розосереджених свердловинних зарядів у полімерних рукавах.

Предмет досліджень - конструкція розосередженого свердловинного заряду; кумулятивний ефект; тиск продуктів детонації в зоні повітряного проміжку.

Методи досліджень. Для розв'язання поставлених завдань у роботі використовувалися сучасні методи наукових досліджень: аналіз і узагальнення сучасних уявлень про вибухове руйнування гірських порід; методи гідродинаміки; механіка суцільних середовищ; математичне і фізичне моделювання; статистична обробка результатів експериментальних і промислових досліджень. При проведенні лабораторних досліджень використовувалися сучасні методи і способи реєстрації швидкоплинних процесів (високошвидкісна кінокамера ВСК-5).

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

1. Формування в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду кумулятивної виїмки сприяє концентрації енергії в зоні повітряного проміжку і 1,5…2 рази підвищує тиск продуктів вибуху.

2. Зигзагоподібне розміщення полімерного рукава на ділянці набійки призводить до щільнішого замикання продуктів детонації в свердловині та на 30…40% збільшує тривалість їх дії на середовище, що руйнується, і підвищує ефективність вибухового руйнування гірських порід.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. На підставі аналізу існуючих конструкцій розосереджених зарядів обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість підвищення тиску продуктів вибуху в зоні повітряного проміжку.

2. Уперше встановлено взаємозв'язок параметрів кумулятивної виїмки в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду і величини тиску продуктів вибуху в зоні повітряного проміжку.

3. Уперше теоретично обґрунтовано раціональне розташування бойовиків у розосередженому заряді, за рахунок чого максимально реалізується кумулятивний ефект верхньої частини заряду.

4. Уперше експериментально встановлено вплив величини повітряного проміжку з кумулятивним ефектом на інтенсивність вибухового руйнування гірських порід. Встановлено, що за рахунок концентрації енергії довжина повітряного проміжку може бути збільшена в 1,3…1,5 раза.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується фізичною обґрунтованістю поставлених задач, використанням апробованих методів досліджень, стандартних методик і апаратури, задовільною збіжністю результатів теоретичних досліджень і експериментальних даних, обґрунтованим обсягом лабораторних і промислових експериментів.

Наукове значення отриманих результатів полягає у встановленні взаємозв'язку параметрів кумулятивної виїмки в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду і тиску продуктів вибуху в зоні повітряного проміжку.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Обґрунтовано раціональні параметри розосередженого свердловинного заряду з кумулятивним ефектом, який впроваджений на Полтавському ГЗК.

2. Уперше теоретично обґрунтовано параметри раціонального розташування бойовиків в окремих частинах розосередженого заряду, при якому досягається максимальний ефект.

3. Здійснене проектування, виготовлення і впровадження вдосконаленого пристрою для формування розосередженого свердловинного заряду - кумулятивний замикаючий пристрій (патенти на корисну модель №№ 1875, 1876, 6916).

4. Уперше експериментально доведено вплив характеру розташування поліетиленового рукава на ділянці набійки на зміну ефективності її роботи. Установлено, що зигзагоподібне розташування поліетиленового рукава підвищує щільність замикання продуктів детонації в свердловині та на 15% збільшує інтенсивність вибухового руйнування гірських порід.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і завдання досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації, а також шляхи їх розв'язання. У роботах [4, 5] здобувачем виконано теоретичне розв'язання поставлених задач.

Автор брала участь у проектуванні, виготовленні та випробуванні кумулятивних замикаючих пристроїв [6-8], зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення та окремі результати роботи докладалися та обговорювалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірських порід” (с. Піщане, 2004 р. і 2005 р., м. Феодосія, 2005 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (м. Кривий Ріг, травень 2005 р.), 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування промислових і конверсійних вибухових речовин при руйнуванні гірських порід вибухом і екологічна безпека” (м. Івано-Франківськ, січень 2006 р.), а також на об'єднаному семінарі кафедри технічної механіки Кременчуцького державного політехнічного університету та науковому семінарі Національного науково-дослідного інституту промислової безпеки та охорони праці.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 5 наукових працях (фахові видання) і 3 патентах України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 138 сторінках машинописного тексту, зокрема містить 23 рисунка, 24 таблиці, список використаних джерел з 94 найменувань і 3 сторінки додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та основні наукові й практичні завдання досліджень, викладено наукові положення, показано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи.

У першому розділі розглянуто та узагальнено результати досліджень, а також досвід застосування різних конструкцій свердловинних зарядів при відкритій розробці корисних копалини у вітчизняній і зарубіжній практиці ведення вибухових робіт, виконано критичний аналіз їх ефективності при руйнуванні гірських порід вибухом.

Відомо, що ефективність вибухових робіт залежить від багатьох чинників, найбільш значущими серед яких є конструкція свердловинного заряду ВР і набійка. У розвиток цього напряму внесли значний внесок вітчизняні вчені, такі як чл.-кор. НАН України Е.І. Єфремов, професори Є.Г. Баранов, О.О. Вовк, В.Д. Воробйов, М.Ф. Друкований, В.М. Комір, В.Г. Кравець, М.В. Крівцов, Р.С. Крисін, П.З. Луговий, І.А. Лучко, В.П. Мартиненко, Ю.С. Мец, В.Д. Петренко, В.С. Прокопенко, К.Н. Ткачук, А.В. Шапурін, П.Й. Федоренко, а також зарубіжні дослідники: академіки М.В. Мельников, В.В. Ржевський, В.М. Родіонов, В.В. Адушкін, професори В.О. Боровіков, С.Д. Вікторов, Г.П. Демідюк, М. Кук, Б.М. Кутузов, І. Лангефорс, Г.Й. Покровський, В.М. Мосинець та ін.

Великий внесок у вивчення механізму дії зарядів з повітряними проміжками і радіальними зазорами внесли такі вчені, як М.В. Мельников, Е.І. Єфремов, І.Ф. Жаріков, В.М. Комір, Л.М. Марченко, В.С. Прокопенко, М.П. Сєїнов та ін. Дослідження кумулятивного ефекту як одного з методів концентрації енергії вибуху детально вивчено в роботах академіка М.А. Лаврентьєва, професорів Ф.А. Баума, П.З. Лугового, Г.Й. Покровського та ін.

Проте, не дивлячись на значні успіхи у сфері розробки раціональних конструкцій зарядів ВР для руйнування гірських порід, на кар'єрах у даний час найчастіше використовуються традиційні суцільні свердловинні заряди. Застосування розосереджених повітряним проміжком зарядів стримується їх низькою ефективністю при руйнуванні міцних порід і відсутністю простих і дешевих пристроїв для формування даних зарядів. Виходячи з цього, були сформульовані вищенаведені мета дисертаційної роботи і завдання досліджень.

Другий розділ дисертації присвячений теоретичному аналізу впливу кумулятивної виїмки у верхній частині розосередженого заряду на зміну тиску продуктів детонації (ПД) у повітряному проміжку (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нехай першим ініціюється нижній заряд, а після заповнення його продуктами вибуху повітряного проміжку - починається рух кумулятивного струменя. Зустрічаючи на своєму шляху перешкоду (що знаходяться під високим тиском ПД нижнього заряду), кумулятивний струмінь чинить на неї надзвичайно високий додатковий тиск, величина якого дорівнює

 (1)

де v_k - швидкість кумулятивного струменя, м/с;

с_об-- - щільність матеріалу облицювання, кг/м³ .

Швидкість кумулятивного струменя може бути записана як

і при ударі по заповненому продуктами вибуху проміжку вона створюватиме додатковий тиск

(2)

де D - швидкість детонації ВР, м/с;

б-- - кут розхилу кумулятивної виїмки, град.

Результати розрахунку відносної величини додаткового кумулятивного тиску (2) для деяких типів ВР і різних кутах розхилу конічної виїмки наведено у табл. 1, причому

(3)

Процес зіткнення ударної хвилі від нижнього заряду і кумулятивного струменя є складним газодинамічним завданням, оскільки при цьому необхідно враховувати розподіл параметрів не тільки за фронтом ударної хвилі, але і в ПД. Після зіткнення в повітряному проміжку з'являється джерело у формі клина, від якого в обидва боки від осі підуть ударні хвилі. За рахунок цього, у кінцевому підсумку, і спостерігатиметься підвищення тиску газоподібних продуктів вибуху в повітряному проміжку.

Таблиця 1

Вплив типу ВР і кута розхилу облицювання на зміну величини

кумулятивного тиску

Тип ВР	Щільність ВР, кг/м3	Швид-кість детонації, м/с	Детона-ційний тиск, МПа	Відносна величина кумулятивного тиску при куті розхилу виїмки (град)
				20	30	40	50	60
Граммоніт 79/21	1000	3600	3240	11,3	5,0	2,7	1,6	1,1
Акватол Т-20	1500	5600	11760	7,6	3,35	1,9	1,1	0,74
Тетрамон ГС-2	700	2380	1008	16,1	7,1	3,8	2,3	1,6

Необхідно зазначити, що при зіткненні в повітряному проміжку ударних хвиль від звичайних суцільних зарядів істотна концентрація напруг відбувається в дуже вузькому шарі, тоді як при використанні кумулятивного ефекту ця зона буде пропорційна до ефективної довжини кумулятивного струменя, який складає (5 - 30)d_oб, де d_об - внутрішній діаметр конічного кумулятивного облицювання. Отже, не тільки на вузькій ділянці зіткнення кумулятивного струменя і газоподібних ПД, але і на стінках свердловини в зоні повітряного проміжку діятиме додатковий тиск, який призведе до збільшення імпульсу тиску на величину

(4)

що сприяє підвищенню інтенсивності вибухового руйнування гірських порід. Розрахунок за даною залежністю наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Приріст імпульсу тиску залежно від кута розхилу кумулятивної виїмки

Тип ВР	Щільність ВР, кг/м3	Швидкість детонації, м/с	Приріст імпульсу тиску для повітряного проміжку завдовжки 1 м при куті розхилу виїмки (град), МПа·с
			20	30	40	50	60
Граммоніт 79/21	1000	3600	6,1	4,0	3,0	2,3	1,9
Акватол Т-20	1500	5600	12,9	8,6	6,3	4,9	4,0
Тетрамон ГС-2	700	2380	3,8	2,6	1,9	1,5	1,2

Як уже зазначалося, розосереджений заряд працюватиме найефективніше, якщо завершення детонації верхнього заряду відбудеться у момент досягнення фронтом ударної хвилі нижнього заряду кумулятивної виїмки. Це може бути досягнуто в тому випадку, якщо правильно підібрані уповільнення або відповідним чином установлено бойовики в нижній і верхній частинах розосередженого заряду. Розглянемо другий варіант. Нехай у верхньому заряді бойовик розташований на відстані l_1б від його нижнього торця, а в нижньому заряді - на відстані l_2б. Довжина повітряного проміжку складає h_вп. Обидві частини заряду складаються з одного і того ж типу ВР. Отже, виходячи з прийнятого припущення, ми матимемо наступну рівність

( 5)

де D_ув - середня швидкість фронту ударної хвилі на ділянці повітряного проміжку, м/с.

Детонаційна хвиля великої інтенсивності при підході до межі ВР і повітряного проміжку утворює сильну ударну хвилю. Для малого проміжку часу цю ударну хвилю можна вважати стаціонарною, такою, що розповсюджується з постійною швидкістю. На фронті ударної хвилі, що розповсюджується по повітряному проміжку, виконується умова збереження маси і кількості руху

(6)

де с₁, u₁, P₁ - щільність, швидкість і тиск стислого повітря за фронтом

ударної хвилі;

с_а, u_а, Р_а - початкова щільність, швидкість і тиск перед фронтом ударної хвилі;

D_1y - швидкість падаючої ударної хвилі, м/с.

З теорії детонаційних хвиль відомо, що швидкість руху ПД на межі розподілу визначається наступною залежністю

(7)

де Р_х - тиск на межі розподілу “ПД - повітря”, Па.

Швидкість може бути записана як

(8)

Використовуючи умови на межі розподілу “ПД - повітря” (u_х = u₁, P_x = P₁) одержуємо наступну залежність між параметрами ВР і тиском

(9)

З цієї формули визначається тиск у падаючій хвилі по повітряному проміжку і вся решта параметрів її руху (табл.3).

При проходженні всієї довжини повітряного проміжку швидкість фронту ударної хвилі матиме величину, яка дорівнює

Уважаючи, що швидкість фронту ударної хвилі змінюється лінійно по довжині повітряного проміжку, можна припустити, що її середня швидкість буде дорівнювати

Таблиця 3

Тиск у падаючій хвилі та її швидкість для різних типів ВР

Тип ВР	Щільність ВР, кг/м3	Швидкість детонації ВР, м/с	Розрахункове значення Р1, МПа	Розрахункове значення u1, м/с
Граммоніт 79/21	1000	3600	13,5	3166
Акватол Т-20	1500	5600	33,7	5003
Тетрамон ГС-2	700	2380	5,7	2060

Знаючи середню швидкість фронту ударної хвилі по повітряному проміжку, ми можемо залежність (5) подати в наступному вигляді

 або

(10)

Аналіз отриманих результатів свідчить (табл. 4), що при одній і тій самій довжині повітряного проміжку відношення швидкості детонації ВР до швидкості фронту ударної хвилі змінюється не істотно (у межах 3%).

Таблиця 4

Перевищення швидкості детонації ВР над середньою швидкістю

руху фронту ударної хвилі

Тип ВР	Швидкість детонації, м/с	Відношення швидкості детонації до середньої швидкості фронту ударної хвилі при довжині повітряного проміжку (м)
		1	2	3
Граммонит 79/21	3600	1,12	1,19	1,25
Акватол Т-20	5600	1,1	1,17	1,23
Тетрамон ГС-2	2380	1,15	1,22	1,29
Середнє значення відношення	1,12	1,19	1,252

Отже, при проведенні практичних розрахунків ми можемо замінити відношення D/D_УВ його середнім значенням для заданої величини повітряного проміжку. Таким чином, різниця у відстанях до межі ВР і повітряного проміжку залежно від його довжини складатиме:

довжина повітряного проміжку, м	1	2	3
?l, м	1,12	2,38	3,756

Отже, якщо довжина верхнього заряду більш ніж в 1,5 раза перевищує довжину повітряного проміжку, то ми можемо за рахунок раціонального розташування бойовиків здійснювати оптимальне навантаження повітряного проміжку: кумулятивний струмінь впливає на вже заповнений ПД нижнього заряду повітряний проміжок.

Якщо ж параметри подовженого розосередженого заряду не дозволяють розташувати верхній бойовик так, щоб дотримуватись наведеного вище співвідношення, то в цьому випадку необхідно верхній заряд ініціювати з уповільненням. Величина цього уповільнення повинна визначатися з наступної залежності

. (11)

У третьому розділі подано результати лабораторних досліджень особливостей вибухового руйнування моделей при використанні кумулятивного ефекту в повітряному проміжку. Для оцінки ефективності дії газоподібних ПД у зоні повітряного проміжку, а також уздовж осі розосередженого заряду використовували циліндричну модель, сформовану з однакової товщини дисків, виточених з оргскла (шість дисків). Обробка результатів експериментів дозволила встановити наступне.

Характер руйнування верхньої частини моделей (диски №№ 5 і 6) при використанні даних конструкцій розосередженого заряду істотним чином не змінився (кількість тріщин і їх сумарна довжина практично однакові). Відмінності починають спостерігатися з диска № 4, у якому знаходилася верхня частина розосередженого заряду. Так, за наявності кумулятивної виїмки у верхньому заряді кількість тріщин у даному диску зросла на 4 шт (16%), а їх сумарна довжина - на 30% перевищує аналогічний параметр для випадку підривання заряду без кумулятивної виїмки.

У зоні повітряного проміжку (диск № 3) при використанні розосередженого заряду з кумулятивним ефектом ми також спостерігаємо (порівняно з традиційним розосередженим зарядом) незначне збільшення загальної кількості тріщин (з 17 до 19) та істотне зростання їх сумарної довжини - з 386 мм до 489 мм, тобто перевищення складає майже 27%.

На рівні розташування нижньої частини розосередженого заряду (диск № 2) також відбулися кількісні зміни параметрів зони тріщиноутворення: наявність кумулятивної виїмки в нижній частині верхнього заряду призвела до збільшення загальної кількості тріщин з 17 до 22 шт. і зростанню сумарної довжини тріщин з 418 мм до 463 мм. Отже, наявність кумулятивної виїмки в нижній частині верхнього заряду підсилює поршневу дію ПД у зоні повітряного проміжку.

У наступній серії експериментів за допомогою високошвидкісної кінокамери ВСК-5 було проведено швидкісне фотографування процесу розвитку зони тріщиноутворення в моделях з оргскла. Використовували моделі розміром 140 х 100 х 70 мм. Аналіз кадрів швидкісного фотографування дав змогу встановити наступне.

По-перше, наявність кумулятивної виїмки у верхньому заряді призводить до інтенсивнішого тріщиноутворення в зоні повітряного проміжку (табл. 5). Так, за відсутності кумулятивної виїмки до 104 мкс радіус зони тріщиноутворення в зоні повітряного проміжку складає 5,2 діаметра шпуру. При використанні кумулятивного ефекту величина цього параметра досягає 6,8 діаметра шпуру, тобто зростає більш ніж у 1,3 раза.

Таблиця 5

Зміна радіусу зони тріщиноутворення і середньої швидкості її зростання залежно від часу

Конструкція верхньої частини розосередженого заряду	Час, мкс
	40	56	72	88	104
Без кумулятивної виїмки	8,3/208	16,2/482	24,3/438	29,5/225	31,2/61
З кумулятивною виїмкою	10,7/268	19,6/552	28,4/540	36,7/380	41,0/136

Примітка: у чисельнику - радіус (мм), у знаменнику - середня швидкість (м/с) зони тріщиноутворення.

По-друге, аналізуючи зміну швидкості розвитку зони тріщиноутворення у зоні повітряного проміжку, необхідно зазначити, що при звичайному розосередженому заряді відбувається швидше падіння швидкості та її максимальна величина менша, ніж при використанні розосередженого заряду з кумулятивною виїмкою. Так, у першому випадку максимальна величина швидкості складає 482 м/с (у момент часу 56 мкс) і до 104 мкс вона знижується до величини 61 м/с, тобто зменшується майже у 8 разів. У другому випадку максимальна швидкість дорівнює 552 м/с, а до 104 мкс - 136 м/с, тобто зменшилася всього в 4 рази .

По-третє, при використанні кумулятивного ефекту протягом більшого відрізка часу відбувається “підтримка” високої величини швидкості розвитку зони тріщиноутворення: з моменту часу 56 мкс до 88 мкс зниження швидкості становить всього 172 м/с (1,45 раза). Для звичайного розосередженого заряду аналогічна величина дорівнює 257 м/с (2,1 раза).

По-четверте, наявність кумулятивної виїмки у верхньому заряді сприяє щільнішому замиканню газоподібних ПД у шпурі. Аналіз кадрів швидкісної кінозйомки засвідчив, що виліт набійки в цьому випадку спостерігається тільки до 72 мкс, тоді як для звичайного розосередженого заряду цей час складає 56 мкс. Відповідно, використання кумулятивного ефекту у верхній частині розосередженого заряду дозволяє майже на 30% збільшити тривалість дії продуктів вибуху на руйноване середовище.

Для оцінювання впливу кумулятивного ефекту в зоні повітряного проміжку на інтенсивність вибухового руйнування було проведено експерименти на об'ємних піщано-цементних моделях (розміри моделей становили 250 х 250 х 250 мм). Величину повітряного проміжку змінювали в межах від 0,2 до 0,4 загальної довжини заряду. Діаметр шпура складав 6 мм, його довжина - 200 мм.

Аналізуючи отримані результати (табл. 6) необхідно зазначити, що наявність кумулятивної виїмки в нижній частині верхнього заряду дозволила істотно підвищити ефективність вибухового руйнування моделей. Залежно від кута розхилу досягається значне зниження діаметра середнього шматка зруйнованої породи порівняно з використанням традиційної конструкції повітряного проміжку: при куті розхилу кумулятивної виїмки в 30^о це зменшення складає 15,5%; при 60^о - 10,3%; при 90^о - 7,3%.

Таблиця 6

Вплив кута розхилу кумулятивної виїмки на зміну гранулометричного

складу зруйнованих моделей

Кут розхилу кумулятивної виїмки (2б), град	Відсотковий вміст фракцій (мм)	Діаметр середнього шматка, мм
	0-8	8-20	20-40	40-60	60-80	>80
30	7,3	22,8	37,6	20,4	7,1	4,8	33,7
60	6,8	19,7	37,7	21,2	8,4	6,2	35,7
90	6,4	18,6	36,4	22,5	10,3	5,8	36,9

При використанні кумулятивної виїмки з кутом розхилу 30^о спостерігається збільшення виходу дрібної фракції (< 8 мм) майже на 22%. На нашу думку, це може бути наслідком двох основних причин. По-перше, за рахунок наявності конічної кумулятивної виїмки в нижній частині верхнього заряду зона контакту його ВР із стінками шпуру збільшується відповідно: при 2б = 30^о ця величина складає 6 мм (17% від довжини верхнього заряду); при 2б = 60^о - 2,5 мм; 2б = 90^о - 0,5 мм. Як бачимо, у двох останніх випадках ця величина складає менше 7% довжини верхнього заряду і після вибухового руйнування моделі не спостерігається зростання виходу переподрібненої фракції. Другою причиною, очевидно, є підвищення тиску газоподібних ПД у зоні повітряного проміжку (порівняно з тиском продуктів вибуху при використанні традиційної конструкції повітряного проміжку).

При заданому куті розхилу конічної кумулятивної виїмки істотно знижується вихід крупних фракцій (>80 мм): при довжині повітряного проміжку 24 - 34 мм це зменшення складає майже 40%; при 44 мм - 23%. При збільшенні довжини повітряного проміжку до 50 мм спостерігається незначне збільшення крупних фракцій (на 5%) і діаметра середнього шматка (менш ніж на один відсоток). Очевидно, тут починає спрацьовувати як негативний чинник зменшення майже на 26 мм довжини набійки і значне падіння тиску ПД у зоні повітряного проміжку.

Таким чином, виконані експерименти засвідчили, що використання кумулятивного ефекту в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду дозволяє порівняно з традиційним способом формування повітряного проміжку збільшити оптимальну довжину проміжку: при куті розхилу кумулятивної виїмки в 30^о - більш ніж у два рази; при куті розхилу кумулятивної виїмки в 60^о - в 1,8 раза; при куті розхилу кумулятивної виїмки в 90^о - в 1,4 раза. З іншого боку, ці результати свідчать, що ми можемо, не змінюючи якості дроблення моделі, зменшити відповідним чином загальну масу заряду, тобто понизити питому витрату ВР.

Останнім часом при руйнуванні обводнених порід широко використовується неводостійкі ВР, розміщене в полімерній оболонці (рукаві). Технологія формування даних зарядів передбачає розміщення полімерного матеріалу по всій довжині свердловини. Тим самим на ділянці набійки створюються умови для зниження сил тертя матеріалу набійки із стінками свердловини, що спричиняє ранній викид газоподібних ПД в атмосферу. Отже, розробка раціональної конструкції набійки для цих умов є актуальним завданням, рішення якого дозволить підвищити ефективність вибухового руйнування гірських порід. Оцінку “працездатності” набійки здійснювали за об'ємом камуфлетної порожнини.

Проведені дослідження засвідчили, що наявність полімерного матеріалу на ділянці набійки істотно впливає на ефективність її роботи. Так, при набійці в рукав її “працездатність”, порівняно із звичайною конструкцією набійки, знизалася в 1,4 раза; при розміщенні матеріалу набійки поза рукавом - в 1,23 раза. При зигзагоподібному розміщенні рукава ефективність набійки зросла в 1,43 раза. Останнє, очевидно, зумовлене декількома чинниками. По-перше, за рахунок перекриття перерізу шпуру полімерним матеріалом знижується проникнення газоподібних ПД у матеріал набійки і виліт газів вибуху в атмосферу на початковій стадії розвитку процесу руйнування середовища.

По-друге, таке розташування рукава підвищує бічний розпір матеріалу на ділянці набійки, що також призводить зрештою до збільшення щільності замикання газоподібних продуктів вибуху в шпурі (це підтверджується першими кадрами швидкісної кінозйомки процесу вильоту набійки, у якій полімерний рукав розташований зигзагоподібно).

Експерименти на об'ємних піщано-цементних моделях засвідчили, що і при руйнуванні твердих середовищ розміщення полімерної оболонки на ділянці набійки зигзагоподібно також є ефективним: діаметр середнього шматка знижується на 10,7% порівняно із суцільною набійкою без оболонки, і на 12% - порівняно з набійкою, у якій полімерна оболонка на ділянці набійки розташована прямолінійно.

У четвертому розділі наведено результати промислового застосування свердловинних зарядів з повітряним проміжком, розосереджених за допомогою кумулятивного замикаючого пристрою (КЗП), новизна якого захищена патентами України (патенти на корисну модель №№ 1875, 1876, 6916).

Для оцінки ефективності формування розосереджених зарядів за допомогою КЗП у промислових умовах протягом 2002 - 2006 рр. були проведені дослідження на кар'єрах Кременчуцького регіону (Дніпровський рудник ВАТ “Полтавський ГЗК” і Кременчуцьке кар'єроуправління “Кварц”).

Протягом 2004 - 2005 рр. на Дніпровському руднику ВАТ “Полтавський ГЗК” було проведено випробування щодо підривання свердловин із застосуванням кумулятивних замикаючих пристроїв. Було підірвано 38 блоків і використано 3000 шт. КЗП. За допомогою КЗП формували дві конструкції свердловинних зарядів:

- контурні заряди з довжиною повітряного проміжку від 5 до 10 м (244 шт. КЗП) і замикаючим верхнім зарядом, маса якого складала 15 - 45 кг;

- розосереджені заряди з повітряним проміжком від 1 до 8 м при підриванні внутрішньоблокових свердловин (2756 шт. КЗП).

Після підривання і відробітку блоків отримані наступні результати:

- незважаючи на зменшення величини заряду, якість дроблення гірської маси не відрізняється від блоків, підірваних з використанням звичайної конструкції свердловинних зарядів;

- опрацьовування підошви не погіршало;

- зменшення маси зарядів ВР дало змогу зменшити кількість ВР на 229,8 т і одержати зниження витрат на 240 тис. грн., тобто 87 грн. на одному КЗП;

- при підриванні контурних свердловин із застосуванням КЗП у кількості 244 шт. не було одержано економічного ефекту за рахунок зменшення витрати ВР, проте досягнуто зниження руйнування укосів і трудовитрат при заряджанні свердловин.

Проведені промислові дослідження засвідчили високу ефективність запропонованої конструкції розосередженого заряду ВР. Використання КЗП дозволяє в 1,5 раза збільшити довжину повітряного проміжку і знизити витрату ВР.

Необхідно також відзначити, що для умов Полтавського ГЗК раціональним, з точки зору якості вибухового дроблення гірської маси, є довжина повітряного проміжку, яка дорівнює 3…3,5 м. Її збільшення до 4 м призводить до зростання діаметра середнього шматка майже на 10%, зниження на 30% виходу дрібних фракцій (0 - 100 мм) і підвищення виходу крупних фракцій (400 - 600 мм).

Експерименти за оцінкою ефективності формування водного проміжку за допомогою КЗП були проведені на Кременчуцькому кар'єроуправлінні “Кварц”, яке характеризується високою обводненістю свердловин. Отримані результати показали, що використання кумулятивного замикаючого пристрою дозволяє одержати більш рівномірне дроблення: у 1,3 раза знижується вихід крупних фракцій і на 18% знижується діаметр середнього шматка. Отже, КЗП ефективно працює не тільки в сухих свердловинах, але і в обводнених.

Таким чином, дослідне використання КЗП для формування повітряного проміжку в подовженому свердловинному заряді підтвердило його економічну доцільність при вибуховому руйнуванні міцних гірських порід.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій на підставі дослідження особливостей використання кумулятивного ефекту в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду, розробок і впровадження раціональних конструкцій розосереджених зарядів, одержано новий розв'язок актуальної наукової задачі підвищення ефективності дії вибуху розосереджених свердловинних зарядів при вибуховому відбої гірських порід, що має велике значення для гірничодобувної галузі.

Основні підсумкові наукові результати і практичні рекомендації, одержані в дисертації, зводяться до наступного:

1. Аналіз наукових і практичних результатів досліджень вибухового руйнування гірських порід вибухом засвідчив, що в даний час найбільш широко використовуваною є конструкція суцільного свердловинного заряду. Впровадження розосереджених подовжених зарядів, які дозволяють істотно знизити витрати ВР, стримується відсутністю простих і дешевих пристроїв для їх формування. Виходячи з цього, дослідження і розробка методів підвищення ефективності дії вибуху розосереджених зарядів є актуальним науково-технічним завданням.

2. Уперше одержано, що використання кумулятивного ефекту у верхній частині розосередженого заряду дозволяє, залежно від кута розхилу кумулятивної виїмки, підвищити тиск у повітряному проміжку в 1,3…11 разів. При цьому додатковий імпульс тиску при довжині проміжку 1 м складає (1,2…12,9) МПа?с.

3. Уперше визначено раціональні параметри розташування бойовиків у розосередженому заряді залежно від довжини повітряного проміжку. Встановлено, якщо довжина верхнього заряду більш ніж в 1,5 раза перевищує довжину повітряного проміжку, то оптимальне навантаження повітряного проміжку може бути досягнуте за рахунок раціонального розташування бойовиків.

4. Уперше встановлено, що наявність кумулятивної виїмки у верхньому заряді сприяє щільнішому замиканню газоподібних ПД у шпурі та дозволяє майже на 30% збільшити тривалість дії продуктів вибуху на середовище, що руйнується.

5. Наявність кумулятивної виїмки в нижньому торці верхньої частини розосередженого заряду дозволяє істотно підвищити ефективність вибухового руйнування моделей. При однаковій довжині повітряного проміжку досягається значне зниження діаметра середнього шматка зруйнованої породи порівняно з використанням традиційної конструкції повітряного проміжку: при куті розхилу кумулятивної виїмки в 30^о це зменшення складає 15,5%; при 60^о - 10,3%; при 90^о - 7,3%. За рахунок цього, не погіршуючи якість вибухового дроблення, може бути збільшена довжина повітряного проміжку: у 2; 1,8 і 1,4 раза, відповідно.

6. Уперше експериментально встановлено, що наявність полімерного матеріалу на ділянці набійки істотно впливає на ефективність її роботи. Так, при набійці в рукав її “працездатність”, порівняно із звичайною конструкцією набійки, знизалася в 1,4 раза; при розміщенні матеріалу набійки поза рукавом - 1,23 раза. При зигзагоподібному розміщенні рукава ефективність набійки зросла в 1,43 раза. За рахунок цього досягається підвищення ефективності вибухового дроблення моделей: діаметр середнього шматка знижується на 10,7% порівняно із суцільною набійкою без оболонки, і на 12% - порівняно із набійкою, у якій полімерна оболонка на ділянці набійки розташована прямолінійно.

7. Уперше встановлено, що для умов Дніпровського рудника ВАТ “Полтавський ГЗК” використання кумулятивного ефекту в нижній частині верхнього заряду дозволяє без погіршення якості вибухового дроблення збільшити довжину повітряного проміжку в 1,5 раза. При цьому раціональна, з точки зору якості вибухового дроблення гірської маси, довжина повітряного проміжку для даних умов може складати 3…3,5 м.

8. Спосіб формування повітряного (або водного) проміжку за допомогою кумулятивного замикаючого пристрою і його конструкція захищені патентами України (патенти на корисну модель №№ 1875, 1876, 6916). Організовано промислове виготовлення КЗП на одному з підприємств м. Кременчук.

При цьому загальний економічний ефект за рахунок зниження витрат ВР при підриванні гірських порід розосередженими свердловинними зарядами з використанням КЗП на Дніпровському руднику ВАТ “Полтавський ГЗК” протягом 2004 - 2005 рр. склав 240 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Воробйова Л.Д. До питання про зниження кінцевої концентрації пилу при підривних роботах // Проблеми охорони праці в Україні.- Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП, 2000. - Вип. 3. - С.111-114.

2. Воробйова Л.Д. Раціональна конструкція набивки при використанні свердловинних зарядів у полімерних рукавах // Вісник НТУУ “Київський політехнічний інститут”. Серія “Гірництво”. Зб. наук. праць. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2004. - Вип. 10. - С. 91 - 94.

3. Воробьева Л.Д. Исследование влияния кумулятивного эффекта на давление в воздушном промежутке при взрыве рассредоточенного заряда // Вісник НТУУ “Київський політехнічний інститут”. Серія “Гірництво”. Зб. наук. праць. - Київ: НТУУ “КПІ”, 2005. - Вип. 12. - С. 53 - 58.

4. Воробйова Л.Д., Славко Г.В. Теоретичне обґрунтування раціонального розміщення бойовиків у розосередженому заряд // Вісник ЖДТУ. Технічні науки. - Вип. III (38). - 2006. - С.146 - 149.

5. Воробйова Л.Д., Костін В.В., Помазан М.В. Розрахунок параметрів гнучкого зв'язку для формування розосередженого заряду // Вісник КДПУ. - Вип. 5/2006 (40). - С. 98 - 101.

6. Пат. на корисну модель 1875 Україна: F 42 D 1/08. Свердловинний заряд // В.Т. Щетинін, Г.В. Славко, Л.Д. Воробйова, В.К. Лотоус та ін.-№20021210641. - Заявлено 26.12. 2002. - Опубл. 16.06.2003. - Бюл. № 6. - 2 с.

7. Пат. на корисну модель 1876 Україна: F 42 D 1/08. Пристрій для розосередження заряду вибухової речовини повітряним проміжком // В.Т. Щетинін, Г.В. Славко, Л.Д. Воробйова, К.В. Лотоус та ін.-№20021210642 - Заявлено 26.12. 2002. - Опубл. 16.06.2003. - Бюл. № 6. - 4 с.

8. Пат. на корисну модель 6916 Україна: F 42 D 1/02. Кумулятивний замикаючий пристрій // В.Т. Щетинін, Г.В. Славко, Л.Д. Воробйова, В.К. Лотоус та ін.-№u200500069. - Заявлено 04.01. 2005. - Опубл. 16.05.2005.

АНОТАЦІЯ

Воробйова Л.Д. Підвищення ефективності дії свердловинних розосереджених зарядів для руйнування гірських порід. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва. - Національний науково-дослідний інститут промислової безпеки та охорони праці. - Київ, 2007.

Метою роботи є підвищення ефективності дії свердловинних розосереджених зарядів для руйнування гірських порід, що досягається за рахунок концентрації енергії в зоні повітряного проміжку та посилення щільності замикання продуктів детонації в свердловині.

Теоретично доведено, що використання кумулятивного ефекту в зоні повітряного проміжку збільшує в 1,3…11 разів тиск продуктів детонації, а також імпульс вибуху. Установлено, що при певних розмірах частин розосередженого заряду оптимальні умови його роботи можуть бути забезпечені раціональним розміщенням бойовиків.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили теоретичні висновки та засвідчили, що за рахунок використання кумулятивного ефекту довжина повітряного проміжку може бути збільшена в 1,3…2 рази. Обґрунтована раціональна конструкція набійки при розміщені вибухової речовини в полімерному рукаві. Розроблено та організовано промислове виготовлення пристрою для формування розосередженого заряду.

Основні результати роботи впроваджено на ВАТ “Полтавський ГЗК”.

Ключові слова: вибух, вибухова речовина, гірська порода, кумулятивний ефект, повітряний проміжок, продукти детонації, розосереджений заряд, руйнування, свердловина, свердловинний заряд.

АННОТАЦИЯ

Воробьева Л.Д. Повышение эффективности действия скважинных рассредоточенных зарядов для разрушения горных пород. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - Физические процессы горного производства. - Национальный научно-исследовательский институт промышленной безопасности и охраны труда. - Киев, 2007.

Диссертация посвящена повышению эффективности действия взрыва скважинных рассредоточенных зарядов для разрушения горных пород, которое достигается за счет концентрации энергии в зоне воздушного промежутка и повышения плотности запирания продуктов детонации (ПД) в скважине.

В работе впервые теоретически доказано, что использование кумулятивного эффекта в зоне воздушного промежутка позволяет в зависимости от величины угла раствора кумулятивной выемки повысить давление продуктов детонации и импульс взрыва в 1,3…11 раз. Установлены геометрические и временные параметры расположения боевиков в зависимости от длины воздушного промежутка, а также рациональные формы кумулятивной выемки.

Выполненные экспериментальные исследования позволили впервые установить, что наличие кумулятивной выемки в нижней части верхнего заряда усиливает на 27% поршневое действие ПД, в 1,3 раза возрастают размеры зоны трещинообразования, на 30% повышается длительность воздействия продуктов взрыва на разрушаемую среду и позволяет в 1,4 … 2 раза увеличить длину воздушного промежутка. Математическая обработка результатов экспериментов позволила впервые получить эмпирические зависимости влияния угла раствора кумулятивной выемки и длины воздушного промежутка в заряде на изменение диаметра среднего куска разрушенных моделей.

В работе экспериментально показано, что наличие полимерного материала на участке забойки снижает ее эффективность. Для повышения плотности запирания ПД в скважине предложено рукав размещать зигзагообразно, что позволяет в 1,4 раза повысить работоспособность забойки.

Устройство для формирования скважинного рассредоточенного заряда с кумулятивным эффектом (кумулятивное запирающее устройство - КЗУ) прошло опытную проверку на карьерах Кременчугского региона. Результаты промышленных исследований показали, что использование КЗУ на ОАО “Полтавский ГОК” позволяет без ухудшения качества взрывного дробления увеличить длину воздушного промежутка в 1,5 раза. Формирование с помощью КЗУ водных промежутков приводит к повышению качества взрывного дробления: в 1,3 раза снижается выход крупных фракций и на 17% уменьшается диаметр среднего куска. Способ формирования воздушного (или водного) промежутка с помощью кумулятивного запирающего устройства и его конструкция защищены патентами Украины.

Ключевые слова: взрыв, взрывчатое вещество, воздушный промежуток, горная порода, кумулятивный эффект, продукты детонации, разрушение, рассредоточенный заряд, скважина, скважинный заряд.

ABSTRACT

L.D.Vorobyova. Increase of efficiency of deep-hole decked charges action aiming at rock destruction. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree (Engineering) in specialty 05.15.11 - Mining physical processes. - National Scientific Research Institute of Industrial Safety and Labor Protection. - Kyiv, 2007.

The aim of the work is increase of efficiency of deep-hole decked charges action aiming at rock destruction, which can be achieved by energy concentration in the air gap zone and risen density of detonation products closure in the hole.

It was theoretically proved that application of cumulative effect in the air gap zone increases by 1.3 to 11 fold the pressure of detonation products and explosion impulse as well. It was determined that when decked charge parts are of certain dimensions the optimum conditions of its action can be provided by rational location of firing pins.

Carried out experimental research confirmed theoretical conclusions and certified the fact that, due to the application of cumulative effect, the length of the air gap can be increased by 1.3 to 2 fold. A rational design of stemming with placement of explosive in a polymeric hose was grounded. Industrial production of decked charge formation device was developed and organized.

The main results of the work are used at Joint-Stock Company “Poltavskiy Ore Mining and Processing Enterprise”.

Key words: explosion, explosive, rock, cumulative effect, air gap, detonation products, decked charge, destruction, hole, deep-hole charge.

Размещено на Allbest.ru

...