lukyanov-взрывные работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.Г. Лукьянов, В.И. Комащенко, В.А. Шмурыгин

ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области прикладной геологии

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» направления подготовки 130200 «Технологии геологической разведки»

Издательство Томского политехнического университета

2008

Посвящается 100-летию первого выпуска горных инженеров в Томском политехническом университете, в числе которых был Основатель Сибирской горной школы Дмитрий Александрович Стрельников 1881–1964. Пятнадцать его учеников стали Героями Социалистического Труда

ВВЕДЕНИЕ

Вобщем комплексе работ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых горно-разведочные работы занимают важное место, обеспечивая высокое качество и достоверность получаемых геологических данных, особенно в условиях разведки месторождений цветных, редких и благородных металлов. Бывшим Министерством геологии СССР при разведке месторождений, главным образом на стадии детальной разведки, ежегодно проводилось около 300 тыс. м горизонтальных горно-разведочных выработок. Такой же объём горно-разведочных выработок ежегодно выполнялсяивдругихотрасляхгорнодобывающейпромышленности.

Сокращение сроков разведки месторождений и ввод их в эксплуатацию выдвигают в качестве одной из главных задач – увеличение скорости проведения подземных горно-разведочных выработок. Академик Е.А. Козловский неоднократно указывал на необходимость довести проходку горных выработок скоростными методами до 60 % общего объема. В связи с этим вопрос совершенствования технологии и организации работ приобретает исключительно важное значение.

Породу в горно-разведочных выработках разрушают различными способами, определяемыми главным образом физико-техническими характеристиками горных пород: механизмами, с помощью взрывчатых веществ (ВВ), вручную, действием высоконапорной водяной струи, тепловыми, электромагнитными воздействиями и т. д.

При проведении горных выработок (особенно подземных) наиболее распространен способ разрушения пород с применением ВВ.

Взрывная отбойка определяет технологию и организацию проходческих работ.

Использование энергии взрыва в процессе разведки месторождений практикуется не только при проведении горных выработок, но и для других целей, в том числе и при подземной прокладке магистральных трубопроводов.

Внастоящее время актуальна народнохозяйственная задача сокращения сроков и стоимости освоения месторождений твёрдых полез-

3

ных ископаемых, разведка которых требует больших объёмов подземных горных выработок.

Задача эта успешно решается в части месторождений, подлежащих первоочередному освоению, путем совмещения детальной разведки с промышленным освоением, т. е. сооружения и использования для детальной разведки горно-капитальных и горно-подготовительных выработок (выработок разведочно-эксплуатационного назначения).

Содержание учебника соответствует одобренной Министерством образования и науки РФ примерной программе дисциплины «Взрывные работы» направления подготовки специалистов «Технология геологической разведки».

Учебник состоит из четырех разделов. Первый раздел посвящен рассмотрению процессов бурения шпуров и скважин, вопросам применения различных буровых машин. Значительное внимание уделено улучшению условий труда и организации работ.

Второй раздел охватывает широкий круг вопросов, посвященных теории взрыва, взрывчатым веществам, способам и средствам инициирования зарядов и правилам безопасного ведения взрывных работ. Детально рассмотрены физические основы действия взрыва. Многие материалы, приведенные во втором разделе, можно с успехом применять при выполнении лабораторных работ. Раздел содержит также параграфы, касающиеся организации и механизации взрывных работ.

Втретьем разделе изложены взрывные работы в геологоразведке

иинженерной геологии, даны общие принципы расположения и расчета зарядов ВВ. Значительное место отведено специальным взрывным работам. Дан расчет зон уплотнения при взрыве заряда.

Вчетвертом разделе широко представлены прострелочные и взрывные работы в скважинах, применяемых при отборе образцов пород, проб жидкости и газа, при вскрытии пластов, повышении отдачи пластов, разделительном тампонаже скважин, ликвидации осложнений в глубоких скважинах. Описаны устройство, снаряжение, технические характеристики прострелочных аппаратов, организация прострелочных работ. В разделе также рассмотрено применение ядерных взрывов в промышленности, показано отрицательное действие взрывов на окружающую среду и изложены мероприятия по снижению негативных экологических последствий взрывных работ при геологоразведке.

Вконце каждого раздела, в соответствии с требованиями Минобразования РФ к учебной литературе, содержится перечень контрольных вопросов.

Авторы благодарны заведующему кафедрой строительства подземных сооружений и шахт Кузбасского государственного технического

4

университета доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ В.В. Першину, генеральному директору ОАО «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие», заслуженному геологу РФ, лауреату Государственной премии СССР, доктору технических наук, профессору В.И. Власюку, кандидату технических наук В.И. Луневу за сделанные ими замечания и предложения, которые учтены в процессе работы над учебником.

Авторы также считают своим долгом выразить глубокую благодарность за моральную и финансовую поддержку первому проректору Томского политехнического университета профессору, доктору геологоминералогических наук, академику РАЕН А.К. Мазурову и заместителю губернатора Томской области, доктору технических наук, профессору, академику РАЕН П.С. Чубику.

5

РАЗДЕЛ I. БУРОВЫЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1 РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ ВЗРЫВНЫХ

СКВАЖИН (шпуров)

Для обеспечения эффективности взрывной отбойки пород заряды ВВ необходимо размещать внутри массива горных пород в искусственно создаваемых полостях (зарядные камеры).

В качестве зарядных камер используют в основном скважины различных размеров. При диаметре скважин до 75 мм и глубине до 5 м их называют шпурами, при более значительных размерах – взрывными скважинами (относительно редко ВВ размещают непосредственно в специальных горных выработках, называемых минными).

Определенное количество ВВ, подготовленное к взрыву, называют зарядом ВВ. В зависимости от типа взрывных камер различают методы отбойки пород зарядами, которые расположены в шпурах (шпуровые заряды), во взрывных скважинах (скважинные заряды) и в минных выработках (камерные заряды).

При проведении разведочных выработок почти во всех случаях порода отбивается шпуровыми зарядами. Область распространения отбойки скважинными зарядами при разведке месторождений ограничивается проведением в некоторых случаях открытых и иногда подземных горных выработок. Отбойку пород, выполняемую взрыванием камерных зарядов, используют только на горных предприятиях (при разведке месторождений она практически не применяется).

Таким образом, при горно-разведочных работах взрывной отбойке предшествует в основном бурение шпуров.

При бурении происходят последовательные разрушения поверхности забоя шпура или скважины и извлечение продуктов разрушения на поверхность. Рассматриваемый процесс состоит из следующих основных операций: подготовка и установка бурильной машины, бурение с очисткой скважины от продуктов разрушения, наращивание бурового става для достижения требуемой глубины бурения и его разборки после окончания работ, смена изношенного бурового инструмента.

6

По характеру разрушающего воздействия способы бурения шпуров и скважин можно разделить на механические, немеханические (фи- зико-химические) и комбинированные (рис. 1.1).

В условиях геолого-разведочных работ породу при бурении разрушают с помощью передачи на забой через буровой инструмент механических нагрузок, т. е. механическими способами. При таких способах бурения на забой передают сжимающие нагрузки, вызывающие в породе напряжения сжатия, которые трансформируются в напряжения сдвига, среза, растяжения. Когда эти напряжения превышают предел прочности, порода на забое разрушается. В табл. 1.1 приведены области применения способов бурения в зависимости от крепости горных пород. В крепких породах применяют ударные способы бурения. В мягких породах эффективнее применять способы, в которых преобладает резание.

Важной операцией при бурении является удаление шлама из шпура (скважины), которое осуществляется водой, воздушной струёй или механически.

Различают колонковое бурение с отбором керна, когда по периферии сечения забоя выбуривается кольцевое углубление, а центральная неразрушенная часть породы (керн) извлекается с помощью специальных керноподъёмников на поверхность, и бурение сплошным забоем, когда буровой инструмент разрушает всю площадь забоя.

По способу удаления продуктов разрушения с забоя различают периодическую (с помощью желонок, различных буров и грунтоносов) и непрерывную очистку. Последняя осуществляется механически с помощью витых штанг и шнеков (при вращательном бурении) и циркулирующим жидким аэрированным или газообразным агентом (при вращательном и ударном бурении).

По способу подачи промывочного агента к забою различают прямую очистку, при которой агент движется внутри бурового става, омывает забой и вместе с продуктами разрушения поднимается по затрубному пространству на поверхность, и обратную очистку, при которой промывочный агент подается по затрубному пространству, поступает вместе с продуктами разрушения внутрь бурового става и поднимается на поверхность.

7

8

Рис. 1.1. Классификация способов бурения шпуров и скважин

Таблица 1.1

Области применения различных способов бурения

По виду используемой энергии различают ручное бурение, когда все операции выполняются вручную, и машинное (с помощью электрической, пневматической и гидравлической энергии), когда все процессы бурения выполняются с применением различных механизмов для разру-

9

шения горной породы и транспортировки продуктов разрушения на поверхность.

Бурение скважин и шпуров осуществляется разнообразными бурильными молотками, буровыми станками и установками, которые характеризуются разными принципами воздействия бурового инструмента на забой и очистки скважин или шпуров при бурении от продуктов разрушения.

Производительность бурильной машины характеризуют числом метров скважин, пробуренных машиной за рабочую смену. Время (мин) на бурение 1 м скважины

где Тп.з – продолжительность подготовительно-заключительных операций (прием и сдача смены, приведение забоя в безопасное состояние и др.), отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин; Т0 – продолжительность основной операции – бурение 1 м скважины, мин; Тв.с – продолжительность вспомогательных операций, отнесенная к 1 м скважины (шпура), мин; Тр.п – продолжительность регламентированных перерывов (отдых и др.), мин.

Сменная производительность (м/смену) бурильной машины по бурению

где Tсм – продолжительность рабочей смены, ч.

Как видно из формул (1.1) и (1.2), производительность буровых машин повышается при уменьшении времени на подготовительнозаключительные и вспомогательные операции, которые в общем балансе времени составляют иногда значительную долю. Продолжительность подготовительно-заключительных операций можно уменьшить, например, вследствие сокращения времени на подготовку к бурению путём автоматизации управления буровыми машинами и установки их на самоходные платформы. Вспомогательное время в основном складывается из времени на наращивание става штанг, смену инструмента и спускоподъемные операции, вызываемыенеобходимостьюсменыинструмента.

Механическая скорость бурения υмех (м/мин) выражается длиной скважины, пробуренной в единицу чистого времени бурения:

Механическая скорость бурения зависит от свойств горных пород, конструкции инструмента, некоторых энергетических и режимных параметров буровых машин.

10