Залежей и добыче полезных ископаемых

 

Применение ВВ в горном деле имеет точную дату отсчета. В Словакии тиролец Каспар Бейдель 8 февраля 1627 г. использовал заряды из дымного пороха для проходки штольни. Дымный по­рох длительный период был единственным ВВ, которое исполь­зовалось для различных взрывных работ. Даже после появления более мощных промышленных ВВ (динамитов) дымный порох в течение длительного времени не терял своего значения, так как мощные динамиты при взрыве оказывали сильное дробящее

действие на породу, измельчая ее, тогда как ДП обеспечивал по­лучение крупнокускового материала. Однако подбором состава, изменением взрывчатых характеристик были разработаны дина­миты с необходимыми свойствами, и применение их на опреде­ленном этапе развития горновзрывных работ было вне конку­ренции. Появление аммиачно-селитренных ВВ (АСВВ) потесни­ло, а затем и полностью вытеснило динамиты.

В настоящее время в списке аммиачно-селитренных ВВ на­считываются сотни наименований. Многие из них утратили свое значение, поскольку появились новые ВВ с такими свойствами, как водоустойчивость, водонаполненность, а также эмульсион­ные составы. Однако во взрывных работах все еще находят при­менение и порошкообразные, и гранулированные ПВВ.

В горнодобывающей промышленности с помощью ВВ вы­полняется два основных вида работы. Это взрывные работы на выброс и взрывные работы на дробление, на отбой руды.

Цель взрывных работ на выброс заключается во вскрытии за­лежей полезных ископаемых, которые далее разрабатываются открытым способом. В массиве поверхностного слоя готовятся камеры или скважины, в которые помещается большое количе­ство взрывчатого вещества. Заряды ВВ располагаются таким об­разом, чтобы при взрыве был направленный выброс грунта. На­пример, на Челябинском угольном месторождении для вскрытия слоя угля для открытой добычи и направленного выброса грунта был проведен взрыв 1800 т аммонита, заложенного в 36 камерах. В результате образовалась траншея длиной 1 км, шириной 80 и глубиной 20 м. На Воронцовском железном руднике (Урал) взрывом 95 т аммонита был снят 20-метровый заболоченный на­нос. При этом было перемещено 30 тыс. м³ болотистого грунта. Примеров подобных взрывов много. Грандиозный взрыв на вы­брос был проведен советскими специалистами в Ките в горном Байинчанском месторождении, где взорвано было 15667 т аммонита и проведена выемка 9 млн. м породы. На выполнение этой работы механическим путем потребовалось бы более 2,5 лет.

Крупные взрывы широко применяются на открытых выра­ботках и в карьерах для дробления породы, когда целью взрыва является «отбить» породу, раздробить ее на куски, с которыми могут работать ковшевые экскаваторы и погрузочные машины. Масштабы отдельных взрывов достигают значительных размеров. Например, в 1966 г. был произведен рекордный взрыв на дроб­ление на карьере «Медвежий ручей» Норильского горно­металлургического комбината, когда зарядами, общая масса кото­рых составляла 1500 т В В, было одновременно отбито 7 млн. тонн РУДЫ.

Однако это уникальные взрывы. В шахтах и рудниках еже­дневно проводятся тысячи взрывов на дробление. Основная их цель - раздробить крепкую породу, которая зачастую не подда­ется разрушению при механическом воздействии кайла или от­бойного молотка. В породе пробуриваются шпуры (цилиндриче­ские полости диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м), в них по­мещаются заряды ВВ, производится «забойка» шпура и подрыв ВВ, в результате которого происходит дробление породы.

В горнодобывающей промышленности взрыв стал основным средством добычи полезных ископаемых. В СССР в 60-е годы, например, взрывным способом было добыто 40 млрд. тонн ми­нерального сырья, при этом израсходовано 6 млн. тонн ВВ. Только в Кузбассе ежегодно взрывается 60 млн. зарядов - в среднем 170 тыс. взрывов в сутки.

При таких масштабах потребления ПВВ весьма существен­ными являются вопросы стоимости и эффективности работы ВВ. При рассмотрении рецептур АСВВ (раздел 7.1) было показано, что в последнее время ВВ готовятся из наиболее дешевых ком­понентов (АС + дизельное топливо, эмульсии растворов АС в масле и т.п.) по простейшей технологии, которая реализуется непосредственно на приисках.

Эффективность работы взрыва постоянно повышалась путем поднятия энергетических параметров ВВ. Однако в результате глубоких научных поисков установлено, что эффективность зависит не только от свойств ВВ, но и технологии произведения взрыва, качества взрывных работ. При взрыве в грунте, как это было показано в главе 5, наблюдается бризантное (приконтакт-ное) и фугасное общее действие. Бризантное действие вызывает деформацию среды и сильное измельчение скальных пород или сжатие пластичных пород. Фугасное действие вызывает разру­шение, раскол, выемку породы. Основная доля работы прихо­дится на фугасное действие взрывчатого вещества. При этом объем механической работы (А), которую теоретически может выполнить ВВ (потенциал ВВ), равен теплоте взрыва (С>_в), ум­ноженной на механический эквивалент тепла:

Определяется объем механической работы при условии адиа­батического расширения продуктов взрыва от температуры и давления взрыва до нормальных условий (атмосферное давле­ние, 20°С). Однако на практике по ряду причин не происходит такой полной работы. Работа газов прекращается задолго до дос­тижения нормальных условий. Эта часть работы, которую про­извели продукты взрыва при расширении от состояния их при взрыве до реального уровня параметров по давлению и темпера­туре, называется идеальной работоспособностью ВВ (А_и). Она отражает теоретическую возможность реализации энергетиче­ского потенциала ВВ. Отношение А_и к А определяется как иде­альный термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) взрыва - v.

Значение КПД для некоторых ПВВ приведены в табл. 9.8.

Часто оценку мощности (работоспособности) ПВВ проводят по величинетротилового эквивалента а_и

 

 

Тротиловьш эквивалент - это относительная величина, выра­жающая работоспособность ПВВ через показатель работоспособно­сти тротила, коэффициент которого определяется по уравнению

Ранее показано, что А_и отражает теоретическую возможность реапизации энергетического потенциала ВВ. В действительности доля энергии, расходуемая на полезные формы работы, состав­ляет 5-15% от идеальной работоспособности. Остальная часть идет на нагрев, деформирование твердой среды, а также теряется, с газами взрыва. В связи с этим направление поиска увеличения эффективности работы только за счет повышения энергетиче­ского потенциала ПВВ не всегда приносило удовлетворительные результаты. Необходимо было найти пути повышения уровня коэффициента полезного действия ВВ. Работы в этом направле­нии позволили создать теорию управления действием взрыва, основные положения которой заключаются в увеличении време­ни воздействия взрыва на окружающий массив. При кратковре­менности воздействия происходит громадная трата энергии на необратимые пластические деформации, бризантное дробление породы в начальный период.

Увеличить время воздействия взрыва на среду удается путем изменения внутренней газодинамики расширения продуктов детонации в зарядной камере. Отсюда вытекают и методы управления взрывом, которые указывают на необходимость уве­личения времени активного воздействия взрыва. Достигается это различными путями: созданием ВВ с малой скоростью детонации на основе кругтнодисперсной (гранулированной) АС и неф­тепродуктов; проведением взрывов с интервалами в тысячные доли секунды (короткозамедленные взрывы) с использованием серии зарядов, соединенных детонирующим шнуром (энергия массиву сообщается как бы порциями за значительный суммар­ный промежуток времени); применением комбинированных за­рядов по мощности, когда мощные ВВ располагаются в нижних этажах зоны взрыва, а ВВ с меньшей мощностью - в верхних этажах; использованием зарядов с воздушными компенсаторами. Последний из методов оказался наиболее эффективным. При наличии воздушных полостей изменяется характер воздействия взрыва на твердую среду - уменьшаются потери на дробящее действие (снижается ударный «пик» взрыва) и тем самым со­кращается переизмельчение породы вокруг заряда, увеличивает­ся время активного воздействия взрыва на среду. При взрыве на выброс воздушная полость (рис. 9.6 а) создается в камере между боковыми и верхней стенками заряда и зарядной камеры, а при взрыве на дробление колонка заряда в шпуре раз­деляется двумя-тремя воздушными промежутками (рис. 9.6 б).

Кроме горнодобывающей промышленности, взрыв широко используется при скважинной добыче нефти и газа, при эксплуа­тации водоносных, артезианских, дренажных скважин.

Впервые взрыв на нефтяном промысле был произведен в 1912 г. инженером Р. Невским с целью оживления скважи­ны. Взорвав в «отобранных» скважинах заряды ВВ, ему удалось получить дополнительное количество нефти.

В 1942-1943 гг. было предложено применять кумулятив­ные заряды ВВ для бурения, торпедирования и перфорации скважин.

Сегодня ВВ широко применяются на нефтеприисках при выполнении различных видов работ на всех этапах жизни скважины, начиная с бурения и кончая ее ликвидацией. Так, при проходке скважины в ряде случаев встречаются крепкие горные породы (кварциты, базальты), которые весьма труд­но пройти при использовании механических средств буре­ния. Для их проходки используется взрывное (бездолотное) бурение, заключающееся в том, что на забой скважины вме­сте с промывной водой посылают небольшие заряды ВВ (ампулы), которые взрываются при ударе о забой, разрушая горную породу.

Раздробленная порода уносится из скважины циркули­рующей в ней промывной жидкостью.

Большое значение применение прострелочно-взрывных устройств имеет в глубоких и сверхглубоких скважинах, в ко­торых механическими методами выполнение работ по лик­видации аварий сопряжено с трудностями. В этом случае зачастую ВВ бывает единственным средством ликвидации аварии.

При бурении скважин в породах, которые способны при дей­ствии воды набухать (например, глины), часто происходит затя­гивание или прихват бурильного инструмента (долота, буриль­ной колонны, забойного двигателя). В этом случае на помощь нефтяникам приходит взрыв. В скважину опускают шнуровую или фугасную торпеду, производят «встряхивание» взрывом, в результате чего происходит освобождение прихваченного инст­румента. Если такой взрыв не привел к результатам, производятразрушение долота торпедой, извлекают образовавшиеся куски забойного инстру­мента и тем спасают скважину.

На рис. 9.7 показано принципиальное уст­ройство торпеды для нефтяных скважин.

 

В шнуровых торпедах в качестве взрывно­го заряда используются помещенные в корпус отрезки детонирующего шнура, количеством которых регулируется сила взрыва.

После завершения бурения нефтяная скважина представляет собой устройство, изображенное на рис. 9.8 а. На всю глубину скважины проходит стальная обсадная колон­на, которая закреплена цементным кольцом. Этими двумя преградами отделен нефтенос­ный пласт от ствола скважины. Чтобы соеди­нить ствол с нефтеносным слоем проводят пробитие (перфорацию) металлической трубы и цементного кольца взрывами кумулятивных перфораторов.

На рис. 9.8 б изображена гирлянда про­стейшего (ленточного) кумулятивного пер­форатора.

В результате взрыва перфораторов обра­зуются радиальные отверстия в обсадной

колонне, цементном кольце и трещины в нефтеносном пласте, которые последующими операциями, например, гидроразрывом расширяются и скважина вводится в эксплуатацию. В процессе эксплуатации происходит постепенное закупоривание перфора­ционных отверстий, что приводит к снижению дебита скважины. Для очистки отверстий на уровне их расположения в скважи­не производят взрыв торпеды, в результате которого происходит разрушение пробок, и работа скважины восстанавливается.

Взрывная очистка фильтров позволяет увеличить дебит сква­жин минимум вдвое, а в отдельных случаях в четыре-пять раз.

Описанные работы далеко не исчерпывают все разнообразие применения взрыва на нефтяных промыслах. Взрыв использует­ся для грунтоносов, резки труб в скважинах (кольцевыми куму­лятивными зарядами), для ускорения затвердевания бетона при

различных изоляционных работах и т.д.

Взрывные работы в скважинах иного назначения (водоносные, артезианские, скважины подземной газификации углей и т.д.) в принципе не отличаются от проводимых в нефтескважинах.

Большое значение взрыв приобрел при изучении недр земли методом сейсмической разведки. Пока это единственный метод, который позволяет заглянуть в недра земли на десятки километ­ров. Существует два основных варианта сейсморазведки: метод отраженных волн и метод, основанный на преломлении волн.

На рис. 9.9 показана схема работы сейсморазведки по отра­женным волнам.

 

Из схемы видно, что при взрыве заряда ВВ происходит распростра­нение волн сжатия (рас­пространяющихся как расширяющаяся сфера). При достижении грани­цы между двумя пла­стами пород, отличаю­щимися по физическим свойствам, происходит отражение волны, кото­рая движется к поверх­ности земли и фиксиру­ется в приемнике сейс­мической станции.

Такая же картина наблюдается при наличии нескольких границ между пластами с раз­личными свойствами. По данным сейсмостанции определяется глу­бина и состав пород. Метод позволяет заглянуть в глубь земли на 10 км. На большую глубину (несколько десятков километров) по­зволяет провести разведку метод, основанный на преломлении волн. В качестве ВВ, используемых для взрывных работ в скважинах, применяются индивидуальные и смесевые ВВ, о которых было сказано ранее.

Конкретный выбор ВВ делается исходя из характера выпол­няемой работы. В фугасных торпедах применяются составы с вы­сокими показателями работоспособности. Кумулятивные торпеды и кумулятивные перфораторы изготавливаются из веществ с высо­кой скоростью детонации (А-Х1-1, составы на основе гексогена).

В номенклатуре ВВ для нефтедобывающей промышленности появился новый класс - термостойкие ВВ. Связано это с тем, что в ряде месторождений в зависимости от глубины в скважинах наблюдается высокая температура, достигающая 200 -250°С. Естественно, применение штатных ВВ и составов на их основе в таких скважинах невозможно из-за низкой термостойкости ВВ. Это привело к необходимости создания класса термостойких ВВ, ряд из которых (октоген, гексанитростильбен, НТФА - геп-танитротрифениламин, октанит - дипикрилдинитробензол, пи-рин - дипикрилдиаминодинитропиридин и др.) нашли практиче­ское применение.