3.9 Взрывные работы на карьерах

При подготовке пород к выемке в основном применяются скважинные заряды, так как возможность контроля практически каждого параметра скважинных зарядов позволяет управлять взрывом с учетом получения необходимого состава горной массы по крупности, требуемых параметров развала и степени разрыхления.

Сущность метода скважинных зарядов заключается в размещении взрывчатого вещества в наклонных или вертикальных скважинах с забойкой верхней части инертными материалами из песка, буровой мелочи или забоечного материала специального состава. Скважины располагаются в один или несколько рядов параллельно верхней бровке уступа и размещаются друг от друга на расчетном расстоянии по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Расстояние от первого ряда скважин до верхней бровки уступа с должно обеспечивать безопасность размещения станка на уступе и рабочих по заряжанию скважин. Расстояние между скважинами выбирается таким образом, чтобы разрушения в массиве от каждой скважины перекрывали друг друга, не образуя «порогов» в основании уступа .

Патрон-боевик в каждой скважине располагается, как правило, на уровне подошвы уступа. Это обеспечивает совпадение направления детонации заряда взрывчатого вещества и направления разрушения массива, а также лучшую проработку подошвы. Заряд в скважине может быть сплошным и рассредоточенным по высоте воздушным промежутком или инертным материалом. Рассредоточение заряда позволяет увеличить эффективность использования взрывчатого вещества для дробления за счет более равномерного распределения взрывчатого вещества в массиве и интерференции взрывных волн от отдельных частей заряда.

Технологическая характеристика взрывчатых веществ и средств инициирования

Для взрывания пород в карьерах широко используются:

• сыпучие гранулированные ВВ (гранулотол, алюмотол, игданит, гранулиты, граммониты и др.);

• водосодержащие ВВ (аквалиты, ифзаниты, карбатолы и др.);

• эмульсионные ВВ;

• порошкообразные ВВ (аммониты, аммоналы, детониты и др.).

Гранулированные водоустойчивые ВВ (гранулотол и алюмотол) хорошо тонут в воде, сыпучи в сухом и сыром виде, могут долго находиться в воде (в том числе и в проточной) без потери или снижения взрывчатых характеристик. На открытых горных работах применяются при взрывании обводненных скважин в крепких и весьма крепких породах. Заряжание ими сухих скважин не рекомендуется, так как при этом снижается эффективность взрыва.

Гранулированные неводоустойчивые ВВ могут применяться в обводненных скважинах с непроточной водой (граммонит 30/70) и в сухих скажинах (гранулиты, игданит).

Горячельющиеся водосодержащие ВВ изготовляют и применяют на горных предприятиях, имеющих пункты по приготовлению горячих растворов окислителей и транспортно-зарядные машины (горячельющееся ВВ ГЛТ-20, карбатолы, акватолы). Достоинства горячельющихся ВВ:

• высокая плотность заряжания (1.5-1.6 г/см³);

• высокая эффективность взрыва;

• малое число компонентов в составе.

Недостаток - трудность работы в холодное время из-за преждевременной кристаллизации и забивки оборудования.

Промежуточные детонаторы используются для инициирования малочувствительных к электродетонаторам и детонирующему шнуру ВВ. Обычно это шашки-детонаторы, прессованные или литые, состоящие из тротила (иногда с добавлением гексогена), имеющие или углубление или канал для размещения электродетонатора или детонирующего шнура.

Эмульсионные ВВ — простейшие аммиачно-селитренные ВВ. В их составе жидкое горючее — мазут покрывает тонкой пленкой капли насыщенного раствора смеси аммиачной селитры с натриевой селитрой, образуя эмульсию. Процесс эмульсирования проводят в смесителях с использованием эмульгаторов. Эмульсионные ВВ типа порэмит готовятся на стационарных пунктах горных предприятий. Доставка и зарядка скважин осуществляется специальными машинами типа МЗ-20 (НИПИгормаш) и «Нитро Нобель» (Швеция). При закачке в скважину через шланг при температуре порядка 70 °С в эмульсию вводится газогенераторная добавка (ГГД), в качестве которой используется нитрат натрия. Такие добавки называют парофо-рами. Нитрат натрия, взаимодействуя с аммиачной селитрой, выделяет газообразный азот. Газовые пузырьки в эмульсии выполняют роль сенсибилизатора, являются «горячими точками», повышающими детонационную способность, в породах с крепостью по шкале проф. М. М. Протодьяконова до 12. В более крепких породах в эти ВВ вводится алюминиевая пудра (порэмит 4А и порэмит 8А). Эмульсионные ВВ впервые появились в США в 1964 г. Их широко применяют в зарубежных странах с 70-х годов под разными названиями: эмулиты (Швеция), кемиты (Финляндия), риочели (Испания) и др.

Порошкообразные ВВ в рассыпном или патронированном виде применяются при вторичном взрывании негабаритных кусков, для шпуровых и скважинных зарядов на маломощных карьерах и в качестве промежуточных детонаторов для инициирования зарядов из водосодержащих и гранулированных ВВ. Патронированные ВВ нецелесообразно применять для скважинных зарядов из-за малой плотности, высокой трудоемкости и стоимости взрывания. Их применяют в шпуровых зарядах.

Сравнение действия ВВ производится по переводному коэффициенту ВВ, равному отношению удельных расходов эталонного (аммонит 6ЖВ или граммонит 79/21) и сравниваемого ВВ в одинаковых условиях.

Взрываемость горных пород

Степень дробления породы взрывом зависит от ее сопротивления действию взрыва. Для достижения требуемого уровня дробления породы необходимо определенное с учетом свойств этих пород количество ВВ. В этом случае пользуются понятием удельный расход ВВ - расход ВВ на единицу объема породы (г/м³), необходимый для достижения заданного эффекта дробления.

Для сопоставления результатов взрывов различных пород и исключения влияния на результаты взрыва дополнительных факторов приняты эталонные условия взрывания: взрыв на дробление одного м³ монолитной породы при наличии шести открытых поверхностей (свободно подвешенный куб) с расположением в центре куба заряда эталонного ВВ (аммонит 6ЖВ или граммонит 79/21) и при степени дробления n = 2 (то есть с образованием 8 кубиков с ребром 0.5 м). Для указанных условий получается эталонный расход эталонного ВВ (г/м³).

Эталонный удельный расход ВВ для большинства взрываемых пород изменяется от 10 до 100 г/м³ и используется для классификации пород по трудности дробления взрывом. При этом все породы делятся на 5 классов и 25 категорий:

• I класс - легковзрываемые породы; q_э = 4-20 г/м³; категории 1, 2, 3, 4, 5;

• II класс - породы средней трудности взрывания; q_э = 20.1-40 г/м³; категории 6, 7, 8, 9, 10;

• III класс - труднозрываемые породы; q_э = 40.1-60 г/м³; категории 11, 12, 13, 14, 15;

• IV класс - весьма труднозрываемые породы; q_э = 60.1-80 г/м³; категории 16, 17, 18, 19, 20;

• V класс - исключительно труднозрываемые породы; q_э = 80.1-100 г/м³; категории 21, 22, 23, 24, 25.

Фактический и проектный расход ВВ

Фактический удельный расход ВВ (q_ф) можно установить только после взрыва делением израсходованного количества ВВ на действительно взорванный объем породы. Показатель q_ф фиксируется на предприятиях и на его основе корректируются в аналогичных условиях возможный расход ВВ при очередных взрывах.

Для выполнения любого взрыва составляется проект, в котором пользуются проектным удельным расходом ВВ (q_п). Он может быть установлен на основе фактического удельного расхода ВВ или рассчитан на основе эталонного расхода ВВ (q_э) с учетом технологических и организационных условий взрыва:

qп = qэ Кт Кд Коп Кз Кv Квв, г/м3.

3.9

Коэффициент К_т учитывает трещиноватость породного массива и может определяться по формуле

Кт = 1.2 Lср + 0.2,

3.10

где L_ср - средний размер отдельностей в массиве, м; в зависимости от трещиноватости можно принимать значение L_ср для:

• сильнотрещиноватых пород - 0.3;

• трещиноватых пород - 0.5;

• крупноблочных - 0.8;

• монолитных - 1.0.

При значениях L_ср > 1 м К_т = 1.4.

Коэффициент К_д учитывает необходимую кусковатость взорванных пород D_ср, м

Кд = 0.5/Dср.

3.11

Коэффициент К_оп учитывает число открытых поверхностей взрываемой части массива.

Рисунок 3.13 - Схемы положений зарядов ВВ относительно свободных поверхностей породного массива

Если заряд ВВ расположен в глубине породного массива, то при его взрыве образуется полость (котел) в зоне сжатия и перемещение пород отсутствует (камуфлетный взрыв) (Рис 3.13, a). Если заряд находится на небольшой глубине (наличие одной открытой поверхности), то при его взрыве образуется воронка взрыва (Рис 3.13, b). В этом случае в основном энергия взрыва затрачивается на преодоление силы тяжести и придания кинетической энергии кускам породы. На карьерах же породу взрывают в основном с целью ее дробления.

Регулирование степени дробления, помимо изменением удельного расхода ВВ, возможно созданием и в дальнейшем постоянным поддержанием после взрыва каждого заряда числа открытых поверхностей. Открытые поверхности образуются как после выемки взорванной породы, так и в процессе взрыва серии зарядов ВВ при соблюдении определенного порядка взрывания.

Для взрывания одиночного скважинного заряда, мгновенного взрывания одного ряда зарядов, короткозамедленного взрывания при порядных или врубовых продольных схемах коммутации характерны две открытые поверхности (Рис 3.13, c). Три открытые поверхности характерны при взрывании в крайних частях разрушаемого блока, а также в средних частях блоков при использовании специальных схем короткозамедленного взрывания (Рис 3.13, d). В особых случаях возможны взрывы при четырех и пяти открытых плоскостях (Рис 3.13, e, f). А при взрыве отдельных негабаритных кусков породы имеет место минимальный расход ВВ, приближающийся к эталонному (почти шесть открытых плоскостей) (Рис 3.13, g).

С увеличением числа открытых плоскостей возрастает объем породы, который разрушается за счет преодоления сопротивления сдвигу и растяжению, а следовательно, снижается удельный расход ВВ. В зависимости от числа открытых плоскостей принимаются следующие значения коэффициента К_оп:

• шесть открытых плоскостей - 1

• пять - 1.5-2.0

• четыре - 2.5-3.0

• три - 3.5-4.0

• две - 4.5-5.0

• одна - 5.5-6.0.

Коэффициент К_з учитывает фактически принимаемую степень сосредоточения зарядов ВВ, то есть форму заряда в массиве, отличную от принятой при определении эталонного расхода сосредоточенного заряда с размещением его в центре куба. Большая степень сосредоточения заряда несколько уменьшает расход ВВ, но при этом ухудшается качество дробления. При методе скважинных зарядов ВВ величина К_з зависит от диаметра скважин, который определяет радиус зоны регулируемого дробления.

Рекомендуемые значения К_з в зависимости от диаметра скважин и трудности взрываемости пород:

• диаметр скважины 100 мм

  • легковзрываемые породы - 0.85-0.90

  • породы средней взрываемости - 0.70-0.80

  • трудновзрываемые породы - 0.95-1.00

• диаметр скважины 200 мм - 1.00

• диаметр скважины 300 мм

  • легковзрываемые породы - 1.05-1.10

  • породы средней взрываемости - 1.20-1.25

  • трудновзрываемые породы - 1.30-1.40

При рассредоточении заряда в скважинах большого диаметра величину К_з рекомендуется умножать на поправочный коэффициент 0.95.

Коэффициент К_v учитывает высоту уступа. При малой высоте уступов (до 3-5 м) удельный расход ВВ обычно выше, так как в этом случае применяется маломощное выемочное оборудование и требуется дробление на мелкие куски. С увеличением высоты уступа (до 15-18 м) расход ВВ при прочих равных условиях уменьшается, так как возрастает размер зоны регулируемого дробления (рис. 3.14).

Рисунок 3.14 - Изменение соотношения объемов зон регулируемого (1) и нерегулируемого (2) дробления при увеличении высоты уступа

Отсюда, значения К_v: если высота уступа (Н_у) до 15 м

;

3.12

если высота уступа (Н_у) более 15 м

.

3.13

Коэффициент К_вв является переводным коэффициентом по энергии (теплоте взрыва) от граммонита 79/21 к практически используемому ВВ в карьере.

Параметры взрывных скважин и конструкции зарядов

К основным параметрам скважин относятся (рис. 3.15):

• глубина;

• диаметр;

• угол наклона.

От этих параметров, а также от типа и плотности ВВ, размера сетки скважин на уступе и порядка взрывания зависит:

• масса заряда;

• вместимость 1 м скважины;

• выход взорванной породы с 1 м скважины;

• конструкция заряда.

Рисунок 3.15 - Параметры скважинного заряда

Глубина скважины L_c (м) определяется:

• высотой взрываемого уступа H_у;

• углом наклона скважины к горизонту β;

• величиной перебура скважины l_п ниже отметки подошвы уступа.

Все эти величины связаны формулой:

.

3.14

По величине угла β различают скважины:

• горизонтальные;

• наклонные;

• вертикальные.

В настоящее время в основном применяются вертикальные скважины.

Горизонтальные скважины(β = 0) не нашли пока распространения на карьерах и используются в частных случаях. Наклонные скважины бурят под углом 60^o< β < 85^o . При β = 60^o весьма затрудняется ручное заряжание скважин россыпными ВВ.

При взрывании наклонных скважинных зарядов, когда β = α (α - угол откоса уступа):

• сопротивление породы взрыванию постоянно по высоте уступа;

• отрыв пород происходит, как правило, по линии скважин;

• улучшается степень дробления;

• хорошо прорабатывается подошва уступа;

• расход ВВ может быть снижен на 5-7%.

Перебур скважины l_п (м) необходим для качественного разрушения пород в подошве уступа и должен составлять:

lп = (10..15) dc,

3.15

где d_c - диаметр скважины, м.

Перебур скважины ведет к увеличению объема бурения, нарушению кровли нижнего уступа. В легковзрываемых породах перебур принимают минимальным. В трудновзрываемых породах при использовании многорядного короткозамедленного взрывания иногда

lп > 15 dc .

3.16

Перебур скважины не производят или даже ее не добуривают до подошвы уступа, если нижележащий уступ представлен пластом полезного ископаемого или пластичными породами.

Длина заряда в скважине l_вв должна быть максимальной, что улучшает дробление пород.

Концентрация заряда при увеличении диаметра скважины ведет к увеличению:

• кусковатости взорванной породы;

• выхода негабарита;

• объема переизмельченной породы вблизи заряда.

Забойка скважины должна быть плотной, ее длина l_з (м) - достаточной для предотвращения утечек продуктов взрыва, выброса породы и образования сильной ударной волны.

В то же время l_з ограничивается по условию возможного удаления заряда ВВ от кровли уступа и размерами зоны нерегулируемого дробления. Обычно

lз = (20..35) dc .

3.17

Верхний предел относится к чрезвычайно трещиноватым, а нижний - к практически монолитным трудновзрываемым породам. В качестве материала для забойки применяют буровую мелочь, песок, щебень, хвосты обогатительных фабрик с размерами частиц не более 50 мм.

Длина заряда ВВ (м)

lвв = Lc - lз = (0.60..0.85)Lc = (0.65..1.00) Hу .

3.18

Диаметр скважины должен обеспечивать размещения требуемого заряда ВВ для разрушения заданного объема породы при установленной его длине l_вв, а также возможно большую зону регулируемого дробления породы. При расчетах диаметра скважины необходимо учитывать расстояние от центра заряда до открытой поверхности, т.е. линию наименьшего сопротивления (л.н.с.) l_л.н.с...

От диаметра скважины (дм) зависит ее вместимость p (кг/м):

,

3.19

где Δ - плотность заряжания ВВ в скважине, кг/дм³ .

При ручном и механизированном заряжании величина Δ соответственно равна 0.9 и 1 кг/дм³, а при применении водосодержащих ВВ 1.4 и 1.6 кг/дм³ . Для определенного вида бурового оборудования и инструмента диаметр скважины является обычно заданной величиной, и применительно к нему и проектному удельному расходу ВВ устанавливают массу заряда и объем породы, подлежащей взрыванию.

Конструктивно скважинный заряд ВВ может быть сплошным и рассредоточенным (рис. 3.16). У рассредоточенного основной заряд расположен в нижней части, а один-два дополнительных заряда - в средней и верхней частях скважины, что позволяет уменьшить зоны нерегулируемого дробления и уменьшить выход негабаритных кусков, особенно в крупноблочных породах.

Рисунок 3.16 - Конструкции скважинных зарядов а - сплошной колонковый; б - рассредоточенный инертной забойкой; в - рассредоточенный воздушным промежутком;  1 - основной заряд ВВ; 2 - вспомогательный заряд ВВ; 3 - забойка; 4 - воздушный промежуток.

В породах легковзрываемых и средней трудности взрывания, когда величина заряда не лимитируется диаметром скважины, используется рассредоточение заряда с оставлением между его отдельными частями воздушных промежутков, что позволяет добиться улучшение дробления. В нижней части скважины размещают 65-75 % заряда (здесь лучше использовать плотные ВВ). Верхний заряд также может рассредоточиваться.

Воздушные промежутки создаются только по длине скважины - кольцевые зазоры (по диаметру) снижают дробящее действие взрыва.

Количество частей заряда и длина воздушных промежутков зависят от минимально допустимой длины забойки, которая в этом случае может быть уменьшена на 20-30 %. Обычно длина воздушного промежутка принимается в пределах (0.15...0.40) lвв (меньшее значение принимается для более прочных пород).

Трудности в применении рассредоточенных зарядов возникают при механизации зарядки скважин.