Разработка щадящей технологии взрывных работ на основе применения сверхнизкоплотных взрывчатых смесей

Современное состояние взрывного дела в странах СНГ характеризуется резким повышением себестоимости работ, обусловленным удорожанием взрывчатых материалов, бурового инструмента, электроэнергии, горючесмазочных материалов, а также острой их дефицитностью. В этих условиях весьма актуальной является разработка более экономичных и эффективных технологий взрывных работ, в особенности при щадящих видах взрывной отбойки, таких как контурное взрывание, добыча блочного камня, строительство профильных выемок, где расходы на взрывные работы составляют до 60К от общей стоимости БВР, а ассортимент применяемых ВВ ограничивается детонирующим шнуром, порохом и патронированным аммонитом. Первостепенная роль в более эффективном использовании известных щадящих технологий взрывных работ отводится созданию ВВ с оптимальными энергетическими и детонационными характеристиками, простых в обращении и пригодных к механизированному заряжанию.

Одним из перспективных направлений щадящей отбойки является взрывание с использованием в качестве ВВ простейших низкоплотных взрывчатых смесей (НВС) на основе аммиачной селитры (АС) и пенополистирола (ПИ), плотность заряжания которых может регулироваться в диапазоне от 0,2 до 0,8 г/смЗ. Технологии, разработанные на основе НВС, отличаются простотой и высокой эффективностью, что позволяет снизить затраты на ВВ более чем на 202. Однако применение указанных смесей резко ограничивается при таких видах работ как контурное взрывание, строительство дорожных выемок, добыча блочного камня и т. д., поскольку даже при минимально возможной плотности заряжания 0,2 г/смЗ наблюдаются заколы до 3−4м в глубь массива, а также значительный отброс отбиваемых блоков, приводящий к их раскалыванию. Уменьшение плот.

• ности за счет увеличения объемного содержания ПП приводит к ухудшению детонационной способности НВС, а при содержании 902 и более — к отказам в шпурах и скважинах.

В зтой связи создание простейших взрывчатых смесей плотностью менее 0,2 г/смЗ и разработка на их основе эффективной технологии взрывных работ является актуальной задачей.

Целью работы является разработка эффективной щадящей технологии взрывных работ при добыче блочного камня, контурном взрывании, строительстве профильных выемок на основе применения сверхнизкоплотных взрывчатых смесей плотностью менее 0,2 г/смЗ.

Основная идея работы заключается в использовании в качестве взрывчатого вещества механических смесей аммиачной селитры и сверхлегкого пенополистирола плотностью 0,005−0,015 г/смЗ при снижении до минимально возможных значений объемной концентрации энергии заряда, давления продуктов детонации, скорости детонации, кинетической энергии газов в продуктах взрыва.

Методы исследований. В диссертационной работе использован комплексный метод исследований, включающий изучение механизма детонации СИВС на основании следовых отпечатков? применение скоростной фоторегистрации, датчиков ионизациимикроскопирование следов детонации на стальных трубах и свечения в детонационной волнерегистрацию параметров взрыва с помощью сейсмои киноаппаратурытеоретическую оценку параметров взрыва зарядов СНВСметоды системного анализа, математической статистики-проведение <* натурных экспериментов в производственных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту :

1. Детонация СНВС сопровождается эффектами, проявляющимися в виде спекл-полей, что свидетельствует о нелинейном характере процессов и высокой неоднородности плотности энергии в зоне химической реакции детонационной волны.

2. Способность СНВС к устойчивой детонации обеспечивается за счет использования в их составе сверхлегкого ПП плотность" 0,005−0,015 г/смЗ и введения в заряд воды и солей-катализаторов, равномерно распределенных на поверхности гранул ПП, в результате чего в зоне химической реакции создаются условия для взрывчатого разложения аммиачной селитры.

3. Метательное действие взрыва зарядов СНВС определяется объемным содержанием ПП во взрывчатой смеси и мало зависит от его массового содержания.

4. Местное действие взрыва зарядов СНВС выражается в термическом воздействии плазменных струй, образующихся в детонационной волне, что приводит к снижению сопротивляемости породы взрывному нагружению при щадящем взрывании.

5. Применение зарядов ВВ плотностью от 0,2 до 0,02 г/смЗ позволяет обеспечить нагружение массива в квазистатическом режиме при предельно низких значениях объемной концентрации энергии заряда, скорости детонации, давления продуктов детонации на стенки зарядной полости, кинетической энергии продуктов взрыва, за счет чего достигается высокая эффективность щадящей технологии взрывных работ при контурном взрывании и разработке месторождений блочного камня.

Достоверность научных положений обеспечивается и подтверждается использованием современной измерительной аппаратуры при определении детонационных характеристик СНВС и параметров взрывной волны в массиве, применением апробированных методов аналитических и экспериментальных исследований, положительными результатами внедрения разработанных технологий щадящего взрывания на карьерах блочного камня и строительных объектах.

Научная новизна работы заключается в следующем :

1. Обнаружены тонкая и сверхтонкая структуры следовых отпечатков и интерференционные картины в зоне свечения, характер которых позволяет отнести их к спекл-структурам и вращающемся' (спекл-полям, возникающим при взаимодействии потоков высококогерентного излучения.

2. Установлен спиновый характер детонации, связанный с вращением плазмы, сжимаемой расширяющимися продуктами детонации.

3. Установлены связи между составом и энергетическими и детонационными характеристиками СНВС (пол.реи.на выдачу патента по заявке N4805270, 1990; N1764390, 1992 г. по заявке N 4 855 270, 1990).

4. Созданы СНВС, позволяющие осуществлять взрывное нагруже-ние массива при предельно низких значениях энергетических и детонационных характеристик (пол.реш.на выдачу патента по заявке N 4 855 269, 1989 г.).

5. Установлены особенности щадящего действия зарядов СНВС на массив при контурном взрывании и добыче блочного камня, связанные с одновременным снижением до предельно низких значений объемной концентрации энергии заряда, скорости детонации, давления продуктов детонации, содержания газов в продуктах взрыва в расчете на единицу объема заряда.

6. Определены условия надежного инициирования зарядов в шпурах и скважинах при щадящем взрывании в зависимости от плотности ПП, входящего в состав взрывчатой смеси, диаметра заряда, способа взрывания (пол.реш.на выдачу а.с. на изобр. по заявке N4855270, 1990).

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета параметров БВР с применением СНВС при шпуровом и скважинном методах взрыванияразработке способов получения сверхлегкого ПП плотностью 0,005−0,015г/смЗ, создании технологий щадящего ведения взрывных работ, отличающихся простотой и эффективностью примененияопределении параметров ОВР с применением СНВС для случаев контурного взрывания, вскрытия месторождений блочного камня и добычи блоков, проходки пионерных троп и создания полок в дорожном строительстве.

Реализация работы. Разработанные взрывчатые составы и технологии щадящего взрывания на их основе практически применяются на карьерах предприятия «Кыргызтам», объектах Киргизского СУ «Союзвзрывпром», СУ N93 «Трансвзрывпром». Составлен проект разработки месторождения Гуль-Дерек, в котором предусмотрено использование СНВС при вскрытии продуктивных толщ мраморов. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил: на объектах Киргизского СУ «Союзвзрывпром» — 200 тыс. руб., СУ N93 «Трансвзрывпром» — 300 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Ученом совете ИФиМГП АН КР в 1990;1992 г. г., Всесоюзном семинаре «Проблемы разработки полезных ископаемых в условиях высокогорья», Бимкек, 1987 г.- IX Всесоюзной конференции по механике горных пород, Бимкек, 1989 г.- Международном симпозиуме «Мирный-91» «Проблемы открытой разработки глубоких карьеров», Удачный, 1991 г., на семинарах в институте Гидродинамики (г.Новосибирск) в 1992;1993 г. г., на тех-советах предприятий «Кыргызтам», «Союзвзрывпром», СУ N93 «Трансвзрывпром» .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, получено 5 авторских свидетельств, 2 положительных ремения на выдачу авторских свидетельств, 3 положительных решения на выдачу патентов.

выводи.

1. Вспенивание полистирола в растворах солей-катализаторов разложения АС (^оСС, &-СС) позволяет получать гранулы ПП плот ностью 0,005−0,01 г/смЗ, пригодные для приготовления сверхнизко плотных зарядов плотностью 0,02−0,2 г/смЗ.

2. СНВС пригодны к механизированному заряжанию. Наличие во ды и солей Реев составе сверхнизкоплотных взрывчатых смесей обеспечивает безопасность их пневмозаряжания за счет иск лючения пылеообразования, снижения возможности накопления статического электричества и понижения чувствительности ВВ к трению, уменыения просыпания и выноса ВВ из мнуров и скважин.

3. Проведенные исследования по изучению свойств сверхнизко плотных зарядов позволили разработать щадящие технологии взрывных работ для различных видов щадящей отбойки. Отличительными признаками указанных технологий являются диаметр зарядов, плотность используемых ВВ, плотность ПП и способ его получения, конструкция зарядов и их инициирование, способы приготовления и заряжания смесей.

4. Многофункциональность компонентов СНВС при простейвем их составе обеспечивает высокую надежность, экономичность и эффективность разработанных технологий щадящего взрывания на основе применения взрывчатых смесей типа АС-ПН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации решена актуальная научная задача, имеющая народнохозяйственное значение, заключающаяся в создании простейших сверх-низкоплотных взрывчатых смесей и разработке на их основе щадящей технологии взрывных работ в горном деле и строительстве.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Определены особенности механизма детонации СНВС: установлена значительная неоднородность плотности энергии в детонационной волне СНВС, определяющая специфический характер диссина-тивных процессов в зоне химической реакции и взрывчатое разложение компонентов смеси при слабом ударноволновом нагружении, т. е. при динамическом давлении до 1 ГПаобнаружены топкая и сверхтонкая структуры следовых отпечатков и интерференционные картины в зоне свечения на фронте детонационной волны, характер которых позволяет отнести их к спекл-структурам и вращающимся спекл-полям, возникающим при взаимодействии потоков высококогерентного излучения: установлен спиновый характер детонации СНВС, связанный с вращением плазмы в зоне химической реакции.

2. Остановлены и обоснованы связи между компонентным составом СНВС и их энергетическими и детонационными характеристиками. Определено, что способность СНВС к устойчивой детонации при запредельных значениях плотности (менее 0,2 г/смЗ) обеспечивается за счет использования в их составе сверхлегкого ПП плотностью 0,005−0,015 г/смЗ и введения в заряд воды и солей — катализаторов, равномерно распределенных на поверхности гранул ПП. Вода и соли испаряются за счет теплоты взрыва гранул 1111, в результате чего в зоне химической реакции.

4″ создаются условия для достаточно быстрого разложения АС.

3. Разработан оптимальный рецептурный состав СНОС для применения на открытых горных работах и в строительстве: а) при отделении блоков от массива и их пассировке, 7. масс: б) при контурном взрывании, ведении вскрышных работ с попутной добычей ценных минералов, каменных блоков и т. д. плотность ПП может быть повышена до 0,1−0,015 г/смЗ.

4. Установлено, что метательное действие взрыва зарядов СИВС определяется объемным содержанием ПП в заряде и мало зависит от его содержания по массе. Уменьшение плотности гранул ПП при неизменном их объемном содержании в заряде приводит к увеличению метательного действия взрыва и снижении сейсмического эффекта, что связано с уменьшением объемной концентрации энергии взрыва и снижением дисси-пативных потерь в ближней зоне заряда и выражается в повышении КПД взрыва.

5. Установлены особенности действия взрыва зарядов СНВС: характер воздействия на контакте «ВВ-среда» связан с влиянием высокотемпературных струй, образующихся при детонации СНВС, на прочностные свойства породы, в результате чего снижается сопротивляемость среды взрывному нагружениюнагружение массива при использовании СНВС плотностью 0,02−0,15 г/смЗ происходит в квазистатическом режиме при предельно низких значениях объемной концентрации энергии взрыва — 100^-400 кДж/л, газов -25 f 120 л/л, давления на стенки зарядной полости — 10 ^ 90 МПа, скорости детонации — 0,? 1,5 км/с, чем обеспечивается высокая эффективность щадящего взрывания.

ПП плотностью 0,005−0,000 г/смЗ.

Хлористый натрий .

Вода .

Аммиачная селитра .

5,5−10,5 6,5−20,0 13,0−30,0 75,0−39,5.

6. Обоснованы основные принципы технологических решений, используемых при применении С11ВС. Разработана технология приготовления взрывчатых смесей и формирования зарядов в шпурах и скважинах при ручном и механизированном заряжании. Определены условия надежного инициирования зарядов C1IBC в шпурах и скважинах в зависимости от плотности используемого IUI и способа взрывания. Установлена область рационального применения СНВС в зависимости от чувствительности к инициирушщему импульсу.

8. Разработан способ получения сверхлегкого ПП плотностьи 0,005 0,015 г/смЗ, заключающийся в однои многостадийном вспенивании в на сыщениом растворе солей щелочных и щелочноземельных металлов (faCt и др.) с последующей выдержкой гранул на воздухе не менее 24 часов для придания им необходимой упругости.

9. Разработана методика расчета параметров БВР с применением СНВС. Рассчитаны и приняты к практическому применению параметры БВР для: вскрышных и добычных работ на Каиндинском месторождении гранитоввскрышных работ с попутной добычей блоков на Чичканском месторождении мрамороввскрытия продуктивных толщ мраморов месторождения Гуль-Дерек строительства и реконструкции автодорог, создания профильных выемок и т. п. на объектах Киргизского СУ «Союзвзрывпром» и ClJ N 93 «Трансвзрывпром» .