Технические решения для повышения эффективности буровзрывных работ

А.Н. Шустов — главный инженер АО «Рудные Технологии».

Вступление

Взрывное разрушение горных пород на современном этапе развития науки предполагает решение целой гаммы противоречивых проблем, одной из которых является создание эффективных конструктивных и технологических решений выполнения работ в целом и качества забойки в частности.

Анализ выполненных за последние десятилетия теоретических и экспериментальных исследований показывает, что комплекс воздействий на массив горных пород может быть достигнут только при использовании действенной забойки, запирающей в зарядной полости продукты взрыва до момента разрушения взрываемой среды.

Рис. 1. Изделие «Клин-фиксатор» (К.Ф. 36-53)

При использовании известных видов забойки потребитель сталкивается с рядом проблем, которые усложняют работы и, возможно, становятся причиной отказа от их использования:

• высокие трудозатраты и отвлечение рабочего персонала для изготовления забойки, например, из глины или глины с песком;
• необходимость для персонала, связанного с заряжанием шпуров, выполнять сложные и длительные действия;
• использование значительного количества забоечного материала, его высокая стоимость, проблемы с доставкой к месту заряжания, большой удельный вес;
• наличие повышенных требований к транспортировке и хранению забойки (температура воздуха, влажность, ограничение по сроку годности, возможность повреждения при случайном механическом воздействии и т.п.).

Клин-Фиксатор

Разработанное, протестированное и запатентованное изделие «Клин-Фиксатор» (далее — К.Ф. 36-53) поможет решить эти проблемы при проведении буровзрывных работ подземным способом. Использование технологии забойки с применением изделия позволяет увеличить коэффициент использования шпура на 20–30% без изменения паспорта буровзрывных работ и увеличения количества взрывчатого материала. Эффективность применения в качестве забойки изделия К.Ф. 36-53 подтвердили многочисленные испытания, проведенные в ряде ведущих предприятий горной отрасли.

Рис. 2. Схема установки К.Ф. 36-53

Изделие К.Ф. 36-53 изготавливается из полимерного материала и является элементом конструкции шпурового заряда для применения при взрывных работах (рис. 1).

Конструкция изделия позволяет надёжно зафиксировать заряд в шпуре до полной его детонации. Специально разработанные продольные канавки служат для прокладки ударно-волновой трубки в шпуре, а также для начального «сброса» газов при взрывании взрывчатого вещества, что приводит к полной детонации заряда. Диаметр шпура при использовании К.Ф. 36-53 от 40 до 56 мм.

Постановка задачи и ее выполнение
При разработке изделия преследовались две цели. Первая: достижение максимальных значений показателей эффективности буровзрывных работ, снижающих прямые и косвенные затраты на их проведение без снижения объемных результатов работ, а именно:

• увеличение коэффициента использования шпуров;
• снижение удельного расхода взрывчатых материалов;
• равномерность дробления горной массы;
• увеличение выхода горной массы с 1-го метра шпура или снижение объема бурения на единицу горной массы;
• возможность замены применяемых взрывчатых веществ на менее дорогостоящие (с меньшей работоспособностью);
• увеличение скорости проведения выработок.

Вторая: насколько это возможно снизить риск отказа рабочего персонала от выполнения забойки шпуров в забое, т.е. исключить человеческий фактор. Если взрывнику или проходчику будет сложно или технический процесс будет занимать много временных и трудозатрат, данный процесс не будет выполнен либо выполнен не в полном объеме. Ниже цитата из акта испытаний: «На предприятиях горной промышленности (рудники, шахты) присутствует человеческий фактор — отказ рабочего персонала (взрывников, проходчиков) от установки забойки в шпурах». Простое конструктивное решение К.Ф. 36-53 и небольшие трудозатраты многократно снижают риск отказа рабочего персонала от применения забойки.

Рис. 3. Скважинное запирающее устройство

О степени достижения первой цели свидетельствуют результаты испытаний изделия К.Ф. 36-53 на ряде горнодобывающих предприятий России и за рубежом, они следующие:

• увеличение коэффициента использования шнура на 21 %;
• снижение удельного расхода взрывчатых веществ на 21 %;
• увеличение выхода г/м за цикл на 23 %;
• увеличение ухода забоя за цикл 19 %;
• в некоторых случаях производилась замена взрывчатого вещества с аммонал-200 на аммонит 6ЖВ;
• наблюдается снижение выхода негабаритного куска г/массы.

Вторая поставленная цель достигнута полностью:

• операция подготовки изделия К.Ф. 36-53 к установке (соединение на два зубца) занимает считанные секунды и не требует никаких сложных действий;
• вес одного изделия 72 г, упаковка в картонной коробке количеством 100 штук весит около 7,5 кг, комплект изделий К.Ф. 36-53, необходимый для проходческого цикла, легко доставляется рабочими при их следовании к месту выполнения работ в начале смены;
• изделие К.Ф. 36-53 остается пригодным к использованию после воздействия на него плюсовых и отрицательных температур в широком диапазоне, после воздействия воды, после длительных сроков хранения, не разрушается при падении и значительных механических воздействиях; 
• из-за применения относительно недорогих материалов, простоты конструкции и малого веса изделие К.Ф. 36-53 имеет невысокую стоимость.

Описание изделия и принцип действия
По физико-механическим свойствам и характеру действия изделие К.Ф. 36-53 в соответствии с классификацией ИГД им. А.А. Скочинского относится к 4-й группе: забойка из твердых материалов.

Рис. 4. Схема установки СЗУ в скважине

Изделие представляет собой конструкцию, состоящую из двух элементов: клина (цилиндра в виде клина) и фиксатора (цилиндра с двумя раздвижными щеками). При взаимодействии цилиндров общая конструкция жестко фиксируется в стенках шпура. Мате риал изготовления пластик ПВ-0; ПВ-2 (огнестойкий пластик) относится к категориям пластика высшей стойкости к горению ГОСТ 28157-89.

Установка К.Ф. 36-53 в шпур выполняется после размещения в шпуре патрона-боевика и заряда взрывчатого вещества, а клин и фиксатор, соединенные между собой на два зубца, досылаются в шпур с обязательным расположением клина к заряду. С помощью забойника (досыльника) доводятся до заряда и резким толчком распираются в шпуре. Таким образом, заряд в шпуре фиксируется в несколько уплотненном состоянии, способствуя полноте детонации заряда и предотвращая образование разрывов сплошности заряда и самопроизвольному выходу взрывчатого вещества из шпура, что особенно актуально в шпурах пробуренных вверх или с подъемом (рис. 2).

При первоначальном воздействии взрывной волны и продуктов взрыва на клин, он под влиянием оказываемого на него давлении в направлении устья шпура, т.е. в сторону фиксатора, еще сильнее расклинивает щеки фиксатора в стенки шпура, тем самым обеспечивая герметизацию зарядной камеры до начала разрушения и сдвижения пород, удерживая на какое-то время продукты взрыва в зарядной полости, что и позволяет увеличить разрушительное действие взрыва.

Рис. 5. Некоторые патенты изделия К.Ф. 36-53 и Скважинного запирающего устройства (СЗУ)

Технические решения, примененные в изделии К.Ф. 36-53, являются интеллектуальной собственностью и зарегистрированы в Федеральном институте промышленной собственности (Роспатент):

• № 139745 «Устройство для разрушения горных пород и соединения строительных конструкций» полезная модель;
• № 164461 «Клин-фиксатор для фиксации заряда взрывчатых веществ в зарядной полости» полезная модель;
• № 2620113 «Способ заряжания шпура» изобретение; 
• № 99950 «Набор изделий для разрушения горных пород» промышленный образец (рис. 5).

Опубликована международная заявка в соответствии с договором о патентной кооперации. Номер международной публикации — WO 2015/016745А2, дата международной публикации — 05.02.2015 г.

Выводы

Результаты проведенных испытаний изделия К.Ф. 36-53, наличие растущего спроса на него у предприятий горнодобывающей промышленности в России и за рубежом свидетельствуют о новизне и полезности предлагаемого изделия, в котором оптимально сочетаются эффект от применения, простота в изготовлении и обращении, невысокая цена.

Практика показывает, что один и тот же тип забойки в различных условиях обеспечивает неодинаковые результаты взрыва.

Рис. 6. Средства инициирования

Поэтому мы считаем, что на предприятиях, где испытания изделия К.Ф. 36-53 показали, что экономический эффект от снижения затрат на буровзрывные работы за счет увеличения КИШ (сокращение удельного расхода ВВ, снижение объемов бурения и экономия общешахтных расходов при увеличении скорости проходки) превосходит затраты на его приобретение, изделие К.Ф. 36-53 можно считать перспективным и рекомендовать для широкого внедрения в практику буровзрывных работ, изделие заслуживает того, чтобы рекомендовать его к широкому применению.

Скважинное запирающее устройство

По итогам положительных результатов испытаний изделия К.Ф. 36-53, предприятия-потребители неоднократно делали запросы о возможности создания аналогичного изделия для применения в скважинах диаметром от 100 до 320 мм.

Конструкция изделия К.Ф. 36-53 не отвечала заданным параметрам из-за большого объема пластика и роста трудозатрат.

Рис. 7. Схема работы придонного компенсатора

Технической проблемой подобных решений является сложность конструкции, неудобство транспортировки и хранения из-за неразборности до компактных размеров, достаточно большой вес забойки, недостаточно высокий КПД работы скважинного заряда.

Постановка задачи
Задачей разработки «Скважинного запирающего устройства» (далее — СЗУ) является устранение указанных недостатков путем замены существующей в настоящее время технологии, заполнения забойкой скважин.

При использовании изделия СЗУ решаются следующие задачи:

• снижение удельного расхода взрывчатого вещества на кубический метр отбитой горной массы;
• увеличение массы дробления горного массива;
• возможность заряда и полноценной работы взрывчатого вещества в скважине с избыточным давлением воды (обводнённые скважины);
• снижение общих денежных затрат.

Удобство в применении, простота конструкции, удобство транспортировки и хранения из-за разборности до компактных размеров, небольшой вес делают СЗУ незаменимым для взрывных работ. Устройство вариативно в установке и монтируется в считаные секунды (рис. 3).

Полезным техническим результатом является возможность применения устройств одного типа для скважин разной длины и разных типов (обводненных и не обводненных), что позволяет использовать заявленное устройство как универсальное для всех типов скважин (рис. 4).

Технические решения, примененные в СЗУ, являются интеллектуальной собственностью и зарегистрированы в Федеральном институте промышленной собственности (Роспатент):

• № 176154 «Скважинное запирающее устройство» полезная модель;
• № 2649201 «Скважинное запирающее устройство» изобретение;
• № 106974 «Скважинное запирающее устройство» промышленный образец (рис. 5).

Результаты проведенных испытаний изделий К.Ф. 36-53 и СЗУ и наличие растущего спроса на них свидетельствуют о правильности технических решений, в которых оптимально сочетаются эффект от применения, простота в изготовлении и использовании, безопасность, невысокая цена.

Рис. 8. Штанговое крепление горного массива

Экономическая эффективность применения изделий обеспечивается за счет увеличения коэффициента использования шпура, сокращения удельного расхода взрывчатых веществ, снижения объемов бурения и экономия общешахтных расходов за счет увеличения скорости проходки.

Изделия К.Ф. 36-53 и СЗУ по физическим параметрам во многом схожи. Выполнены для идентичных задач. По опыту многочисленных испытаний отмечаются положительные отзывы от рабочего персонала (взрывников, проходчиков, горных рабочих), по факту многократного снижения трудозатрат. Ну и конечно же эффективности работы изделий К.Ф. 36-53 и СЗУ в шпурах и скважинах.

Данные факты, считаю, напрямую воздействуют на безопасность и эффективность проведения БВР (буро-взрывных работ) во всей отрасли в целом.

Средства инициирования (СИ)

Неэлектрические системы инициирования применяются для передачи инициирующего импульса от первичного инициатора (капсюля-детонатора или электродетонатора) через ударно-волновую трубку (УВТ), вмонтированную в детонатор системы к промежуточному детонатору (для скважинных зарядов) или патрону-боевику (для шпуровых зарядов). В настоящий момент при производстве буровзрывных работ, существует такая проблема как несовместимость скоростей. На первый взгляд это может показаться несущественным, но это важнейшая составляющая эффективности работ в целом. В настоящий момент при подаче потенциала на детонацию ВВ со скоростью 2 км/с, скорость детонации ВВ от 3 до 8 км/с. Таким образом, разница в скорости между первичными и вторичными процессами составляет более чем в два раза, а должно быть примерно равно. В идеале, если потенциал, подаваемый на детонатор, будет гораздо быстрее. Только в таком случае возможно регулировать последовательность, а в последствии точность распределения детонации по скважинам. Подобных условий можно достичь только при одном решении, доставка потенциала до скважины со скоростью света. Данные технологии существуют, но они либо морально устарели и приносят больше проблем, либо не доработаны и дороги в использовании.

Рис. 9. Пластиковое анкерное крепление (ПАК)

Новые технологии, относящиеся к доставке потенциала беспроводным способом (Wi-Fi), на взгляд автора, крайне рискованны. Кто бы хотел стоять на заряженном ВВ блоке размером 50–100 т, с детонаторами, которые могут сработать от потенциала с помощью Wi-Fi системы? Не говоря уже о том, что данный способ довольно затратный, т.к. принимающий модуль «погибает», выполняя задачу. Принимающих модулей по этой технологии должно быть ровно столько же сколько скважин в блоке. Кроме этого, данная технология затруднительна или невозможна в условиях подземных работ.

Несомненно, за передачей потенциала до скважины со скоростью, равной скорости света, будущее. Но технология должна быть безопасной, не нести рисков и, конечно, экономически целесообразной.

Преимущества СИ

1. Безопасность выполнения работ.
2. Скорость передачи потенциала, близкая или равная скорости света.
3. Использование технологии на открытых и подземных горных работах.
4. Возможность удаленного программирования распределения потенциала по скважинам.
5. Возможность распределения потенциала в каждой конкретной скважине.
6. Исключение ошибок при замедлении в самой капсуле.

Экономический эффект
1. Стоимость одного изделия равна или меньше, относительно систем СИНВ.
2. Точное срабатывания ВВ в каждой скважине.
3. Отсутствие отказа в результате отбоя скважины.
4. Улучшенное дробление горной массы.
5. Снижение удельного расхода ВВ.
6. Снижение сейсмики при производстве взрывных работ.

Средства инициирования приведены на рисунке 6.

Придонный компенсатор (ПК)

Решает задачи по снижению себестоимости буровзрывных работ:

• позволяет снизить удельный расход взрывчатых веществ от 5 до 20 % на кубический метр отбитой горной массы;
• проработка подошвы взрыва за счет наличия воздушного промежутка между зарядом и дном скважины;
• обеспечивает косвенную экономию за счет снижения затрат на человек/час, затрат на доставку и охрану взрывчатых веществ; 
• улучшает экологическую составляющую БВР.

Диаметры работы ПК от 100 до 320 мм.

Преимущества ПК
1. Простота транспортировки, сборки и установки ПК.
2. Температурный режим использования от -45 до +50 °С.
3. Возможность использования с разными видами взрывчатого вещества.
4. Возможность использования на обводненных скважинах.
5. Возможность использования для рассредоточения заряда в скважине.
6. Позволяет снизить выброс токсичных газов за счет применения меньшего объема взрывчатых веществ, что улучшает экологические условия работ.
7. Позволяет снизить стоимость БВР.

Придонный компенсатор приведен на рисунке 7.

Пластиковое анкерное крепление (ПАК)

Устройство предназначено для крепления горных выработок. По мере продвижения горной выработки в результате горных работ, формируется пустое пространство. Оно опасно неустойчивостью под влиянием процессов давления. В целях исключения обрушений в горных выработках были разработаны разного вида крепления горного массива. Тип или способ крепления зависит от многих факторов — геология, сечение выработок, способ отработки месторождения и др. Один из видов креплений — штанговое крепление. Данное крепление применяется на устойчивых и среднеустойчивых горных породах. В подобных горных условиях добывается золото, цинк, свинец, серебро, железо, и др.

Основная проблема у всех типов штангового крепления следующая:

• удельный вес и существенные трудозатраты в процессе установки.
• коррозия и подверженность окислению, как следствие относительно небольшой срок службы при повышенной влажности.

Нами разработано штанговое крепление, которое исключает вышеуказанные минусы. Суть разработки в пластиковом анкере (арматура) и пластиковом элементе фиксации в шпуре. При испытании прототипа показатели на выдергивание-растяжения достигнуты в 12 т. Вес одного изделия в сборе с условием длины анкера 2 м составляет 950 г. Для удобства выполнения работ наше крепление поставляется в сборе, а по хронометражу установка одного анкера занимает секунды. Анкер легко вводится в шпур, а в обратную сторону выдернуть его практически невозможно без разрушения пластиковой конструкции (рис. 8 и 9).

Преимущества ПАК
1. Операция установки изделия ПАК занимает считанные секунды, не требуя каких-либо сложных действий.
2. Широкий диапазон используемых диаметров шпуров для крепления от 36 до 53 мм.
3. Масса одного изделия 950 г при длине анкера 2 м. Комплект изделий ПАК легко доставляется к месту проведения работ в начале смены.
4. Удерживающая способность установленного в шпуре изделия достигает 12 т.
5. Изделие ПАК остается пригодным к использованию после воздействия на него плюсовых и отрицательных температур в широком диапазоне, после воздействия воды, после длительных сроков хранения, не разрушается при падении и значительных механических воздействиях, не требует специальных условий хранения.
6. При установке не требуется использование дополнительного дорогостоящего оборудования.

Экономический эффект
1. Стоимость изделия сопоставима и не превышает стоимость большинства используемых креплений.
2. Значительное сокращение затрат на доставку креплений к месту проведения работ.
3. Снижение стоимости трудозатрат на установку шахтной крепи.
4. Снижение общешахтных расходов.
5. Увеличение скорости проведения выработок.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 2 (60)/июнь 2023 г.