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.

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 «КлинФиксатор» (далее — К.Ф. 36-53) поможет решить эти проблемы при проведении буровзрывных работ подземным способом. Исполь зование 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.

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

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

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. 2. Схема установки К.Ф. 36-53

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. 

Рис. 3. Скважинное запирающее устройство

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.

Технические решения, примененные в изделии К.Ф. 36-53, являются интеллектуальной собственностью и зарегистрированы в Федераль ном институте промышленной собствен ности (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. 5. Некоторые патенты изделия К.Ф. 36-53 и Скважинного запирающего устройства (СЗУ)

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.

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.

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.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 2 (52)/июнь 2021 г.