Краткое описание установок

Электронагревательные буровые установки. В США разрабо­тана плавящая установка (рис. 17.1), в которой рабочий торец бура нагревается до 1200—1600 °С, что обеспечивает плавление пород (гранита, базальта) при проходке скважины. Для охлаж­дения боковых сторон установки используется вода. Осевое уси­лие на инструмент 2—4 кН. При вогнутой форме торца расплав­ленная порода движется к центру установки (на рис. 17.1 показано стрелками), где струя гелия гранулирует породу и выдувает ее из скважины.

Скорость бурения в базальте составила 0,6 м/ч при диа­метре шпура 50 мм. Установки такого типа наиболее перспек­тивны для бурения льда.

Ядерные плавящие буровые установки. Тепло, выделяемое ядер­ными реакторами, используется для нагревания и плавления по­роды при бурении скважины (рис. 17.2). Газ или вода удаляет расплавленную породу с забоя аналогично вышеописанному. Для большей эффективности наконечник плавящего бура де­лается из тугоплавкого металла.

Рис. 17.1. Схема электронагреватель- Рис. 17.2. Схема бура с ядерным реактором:

ного бура: атомный реактор; 2 - вольфрамовый наконечник; 3

1 - вольфрамовый наконечник: 2 - рас- _; — расплавленная порода; 4 — вода или газ
плавленная порода; 3 — нагревательная

спираль; 4 — охлаждающая вода; 5 —

электрический кабель

 

 

Рис. 17.3. Схема плазменно-дугового бура:

 

/ — расширитель; 2 — буровая

жидкость; 3 — газ (гелий или ар­гон); 4 — электрическая дуга; 5 — плазма

Рис. 17.4. Схема лазерного бура:

/ — кристалл; 2 — буровая жидкость; 3 — отражающая поверхность; 4 — расширитель; 5 — когерентный световой луч

Максимальная скорость проникновения буров с ядерными реакторами в породу сопоставима со скоростью проникновения электронагревательных буров.

Существенное преимущество ядерных установок — в их авто­номности и долговечности работы: термические установки рабо­тают без вращения и большого осевого усилия, что упрощает конструкцию буровой установки и не требует большой массы для реализации процесса.

Плазменно-дуговые буровые установки. Устойчивая электри­ческая дуга создается между двумя электродами. При выдува­нии ее из сопла с помощью сжатого воздуха в факеле разряда тем­пература достигает 6000. °С и более, а скорость истечения газов (плазмы) 2 км/с. Под воздействием плазменных струй с такими высокими параметрами горные породы быстро плавятся и частично испаряются, образуется скважина, которую можно затем расши­рить механическим бурением. Вращение дуги в плазмобурах. Для обеспечения длительной работы электродов обеспечивается воз­душным потоком с тангенциальным вводом (рис. 17.3). Мощность горелки 150—400 кВт, напряжение 1600 В.

При опытном бурении в кварцитах достигнута скорость 5 м/ч в труднобуримых и 30 м/ч в хорошо буримых породах.

На выходе из сопла плазмобура происходит взрывное догора­ние ионизированной смеси (Н₂ + О₂). Этот процесс может быть значительно усилен введением в газовую смесь плазмобура реагирующего компонента (керосина, воды и т.п.). В результате

воздействия ударных волн эффективность

разрушения породы увеличивается и резко снижается энергоемкость.

 

 

процесса. Крупность продуктов разрушения при этом режиме значительно возрастает.

Недостаток этого способа в том, что температура плазменного факела резко уменьшается с удалением от среза сопла. Поэтому, не обеспечив высокоточной — до нескольких миллиметров — фиксации расстояния от забоя до среза сопла, нельзя получить устойчивый режим разрушения породы. Эффективность таких установок можно повысить путем усовершенствования генерато­ров и повышения температуры газов.

Лазерные буровые установки. Лазеры, дающие концентрации мощности порядка 1,6 -10¹⁴ кВт/м², могут плавить любые породы. Лазерный луч получается посредством возбуждения, или «на­качивания», группы атомов в кристалле или газа до их высокоэнер­гетического состояния. Когда это происходит, атомы начинают из­лучать фотоны, образуя когерентный световой луч (рис. 17.4).

Кристаллические лазеры могут использоваться только ко­роткими вспышками, так как 99 % энергии, возбуждения теряется в охлаждающей жидкости и рассеивается большое количество тепла. Один из крупных кристаллических лазеров через каждые 2с дает вспышку энергией 100 Дж, длящуюся 1 мс. Это соответ­ствует мгновенному выделению мощности в 100 кВт и среднему выходу мощности лишь в 50 Вт.

Газовые лазеры более эффективны и имеют более высокий выход мощности, чем кристаллические лазеры.

Лазеры могут быть применены для термического разрушения пород путем нагревания их до 260—580 °С. Высокие температур­ные градиенты и различное тепловое расширение минеральных составляющих создают термические напряжения, которые ослаб­ляют и разрушают связи между кристаллами и зернами породы.

Из-за больших затрат энергии на плавление породы 5х X 10^е кДж/м³ и низкого выхода мощности электронных лучей и лазеров эти установки будут иметь низкие скорости бурения. Например, подсчитано, что лазерная установка мощностью 10 кВт расплавляет скважину диаметром 200 мм со скоростью 1,8 м/ч (50 % выходной мощности передается породе). При про­ходке скважин малых диаметров вследствие высоких концентра­ций мощности скорость бурения лазером значительно выше. На­пример, лазерная установка мощностью 10 кВт может расплав­лять в породе отверстие диаметром 2,5 мм со скоростью более 12 м/ч. Эта скорость выше, чем скорость бурения обычными буро­выми установками.

Лазерные и электронные установки можно применять для образования отверстий небольшого диаметра в деталях точных электронных и оптических приборов.

Лазеры могут найти применение для извлечения из скальных кусков драгоценных кристаллов изумруда, сапфира, алмазов и т. п. При современных конструкциях лазеров применять их для бурения скважин большого диаметра, разрушения больших

 

 

Рис. 17.5. Схема высокочастот­ного электробура: Рис. 17.6. Схема микроволно­вого бура:

/ — канал пробоя: 2 — электроды; 3 — / — механический расширитель;

электрические кабели; 4 — промывочный агент 2 — канал для луча; 3 — электри­ческие кабели; 4

— промывочный агент; 5 — магнетрон; 6 —

радар­ный луч

 

 

объемов скальных массивов невыгодно из-за низкой производи­тельности и высокой стоимости процесса. Нет пока конструктив­ных решений лазерного станка для бурения или извлечения кри­сталлов.

Кроме того, при воздействии лазерного луча на некоторые породы происходит их испарение, сопровождающееся выделением ядовитых газов.

В обозримой перспективе лазеры найдут широкое применение в качестве светового луча для определения направления подзем­ных выработок, измерения расстояний, разметке шпуров при взрывных работах по проходке выработок, но не бурения или разрушения массивов пород.

Высокочастотные электробуровые установки. Испытания по­казали, что электрический ток высокой частоты можно применять для разрушения электропроводящих горных пород. Диэлектри­ческое нагревание сопротивления вызывается электрическим то­ком, проходящим через породу между электродами (рис. 17.5).

Нагревание диэлектрическое через сопротивление пропорционально квадрату разности потенциалов электродов. Поэтому используются высокие напряжения (от 1 до 10 кВт). Диэлектриче­ское нагревание пропорционально частоте тока, а нагрева и через сопротивление не зависит от частоты. Поэтому для бурения горных пород с высоким электрическим сопротивлением требуются токи высоких частот.

По мере увеличения температуры в горной породе между контактирующими с ней электродами образуется раскаленный токо-

 

проводящий канал (канал пробоя). После образования проводя­щего канала электрическое сопротивление между электродами резко снижается, температура породы в сечении канала увеличи­вается, и в результате термонапряжений происходит разрушение породы на забое.

В качестве промывочного агента в высокочастотных буровых установках должна использоваться жидкость с высокими диэлек­трическими свойствами (трансформаторное, соляровое масло). Проводились опыты и с промывкой водой. Работы по созданию высокочастотных электрических буровых установок продол­жаются.

Микроволновые установки. Лабораторными испытаниями уста­новлено, что микроволны (1000—3000 Гц) могут эффективно на­гревать и разрушать горную породу. В микроволновой буровой установке микроволны создаются в магнетронах и направляются к горной породе по специальным волнопроводящим каналам (рис. 17.6). При работе микроволновых буровых установок очи­стка забоя выполняется воздухом или газом, так как вода погло­щает большую часть микроволновой энергии. Эффективность магнетронов составляет лишь 30—40 %, из-за чего возникает необходимость отводить большое количество тепла.

При проведении опытов в песчаниках тонкие чешуйки начи­нали отскакивать от поверхности через 20—120с, горная порода разрушалась спустя 3—10 мин. Образование трещин сопровож­далось звуками, которые были слышны до появления видимых разрушений горной породы. При некоторых испытаниях наблю­далось интенсивное отскакивание чешуек от поверхности.

Количество микроволновой энергии, поглощенной песчаником, возрастает с увеличением насыщения его водой. В обводненных скважинах микроволновые буровые установки неэффективны. Заслуживает внимания использование таких установок для от­бойки массива при добыче драгоценных минералов.

Индукционные буровые установки. При помощи магнитных по­лей высокой частоты можно нагревать и разрушать при бурении горные породы, имеющие высокую магнитную восприимчивость к индукционному нагреванию.

Индукционное нагревание вызывается потерями гистерезиса и вихревыми потоками, образуемыми в горной породе. Нагрева­ние гистерезисом и вихревыми потоками пропорционально ква­драту магнитной проницаемости. Таким образом, индукционные буровые установки смогут быть эффективными только в горных породах с высокой магнитной чувствительностью. Пока не най­дено удачных конструкций буровых индукционных установок, и они применяются только для нагрева поверхности негабаритных кусков с целью их невзрывного разрушения.

Химические буровые установки. В лаборатории ими эффективно бурят песчаник, известняк и гранит. В этих установках исполь­зуются флюорит и другие высокоактивные химические вещества,

 

Рис. 17,8. Схема искрового бура:

/ — невращающийся электрод; 2— вращающийся электрод; 3 — промывочная жидкость

Рис. 17.7. Схема индукционного бура:

/ — зона индукционного разрушения; 2 — механический расширитель; 3 — индукционная катушка; 4 — промывочный материал; 5 — электрические кабели

 

которые вступают в реакцию с горной породой и разрушают ее. В результате этих реакций образуются безвредные продукты, выдуваемые из скважины.

Химический бур на стальном канате может быть опущен на дно скважины, где взрывом электродетонатора разрушаются изолирующие слои, позволяя сжатому газу продуть высокоактив­ное химическое вещество через катализатор на забой скважины (рис. 17.7). Это приводит к образованию химических струй, выдуваемых газом из отверстий головки бура, которые и разрушают породу, вступая с ней в химическую реакцию.

Применение химических буровых установок неперспективно из-за высокой стоимости высокоактивных химических веществ, а также малой эффективности процесса.

Разрядные установки. В разрядных или электрогидравлический установках для разрушения и удаления из скважин горной нот роды используют обладающие большим запасом энергии разряди, продолжительностью 21—50 мкс, получаемые с высоковольтных конденсаторов емкостью 0,1—10 мкФ, заряженных до 200 Конденсаторы разряжаются 1—10 раз в секунду, вызывая пульсирующие давления, превышающие 700 МПа, которыми и разрушается порода.

Энергия, выделяемая при образовании каждой иск Л (10 кДж), приблизительно соответствует энергии взрыва 1 тротила.

 

 

Разработана конструкция радиальной искровой установки, в которой искры образуются между вращающимся центральным электродом и наружным, расположенным по периферии сква­жины (рис. 17.8). Скорость бурения скважин диаметром 40—50 мм в диабазе, мраморе и сланце составила соответственно 0,18, 0,61 и 3 м/ч. Скорость искрообразования в этой установке составляла две искры в секунду при напряжении разряда 25—30 кВ и выход­ной мощности 0,12—1,17 кВт. С увеличением напряжения диа­метр бурения может увеличиваться до 300—400 мм и более.

Инфракрасные излучатели большой мощности испытываются для поверхностного разрушения забоев подготовительных выра­боток или блоков очистных забоев. Эффективность разрушения породы значительно возрастает, если ее поверхность охлаждать опрыскиванием водой. На базе этой схемы создаются установки для отработки руды в блоках, а также проходческие комбайны.

Электрическое ослабление массива достигается при опускании электродов во взрывные скважины на блоке в результате воздей­ствия на токопроводящий массив электрического тока. При таком воздействии происходит ослабление отдельностей массива и луч­шее дробление при взрыве. Создаются установки для промышлен­ного применения этого метода.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На обозримую перспективу 20—25 лет, если за это время не будут предложены принципиально новые способы разрушения, в которых, как и при взрыве, можно будет мгновенно ввести в раз­рушаемый массив породы мощность, измеряемую десятками мил­лионов киловатт, взрывная подготовка скальных пород к выемке и переработке останется единственной высокопроизводительной и универсальной. Поэтому техника и технология взрывной под­готовки пород к выемке должны непрерывно совершенствоваться, оснащаться комплексом машин, веществ и средств нового техни­ческого уровня, чтобы обеспечить опережающий научно-техниче­ский прогресс в этой области по сравнению с темпами развития всего комплекса добычи и переработки минерального сырья.

Такой же прогресс должен быть достигнут в области производ­ства буровых и взрывных работ в транспортном, гидротехниче­ском и мелиоративном строительстве, а также в других областях ведения этих работ на земной поверхности.

Все более широкое использование энергии взрыва наблюдается для образования в пластичных породах подземных полостей и выработок различных параметров, для образования ирригацион­ных каналов, а дорожном и транспортном строительстве, в ма­шиностроении при сварке, штамповке, резке и упрочнении ме­таллов и во многих других областях народного хозяйства.

Техника и технология взрывной подготовки нового техниче­ского уровня вызывает необходимость коренных изменений в об­ласти методов оценки свойств взрываемых пород, техники буре­ния шпуров и скважин, ассортимента промышленных ВВ и СИ средств механизации заряжания скважин, создания систем ком­плексной механизации взрывных работ, новых методов взрыва­ния с учетом требуемого качества сырья для последующей пере­работки и извлечения полезных компонентов с целью реализации ресурсосберегающих технологий получения конечного продукта на горно-обогатительных комбинатах.

Решение проблемы комплексного использования добываемого минерального сырья требует разработки экспресс-методов его оценки, как при ведении вскрышных работ, так и при добыче в процессе подготовки блоков к взрыванию.

1. В области оценки свойств разрушаемого массива. Заверше­ние работ по количественной оценке сопротивляемости масси­вов пород различными способами разрушения позволит на этой основе разработать классификации горных пород, предназначен­ные для планирования, нормирования буровых и взрывных работ, а также выбора параметров взрывания, исходя из требуемых ре­зультатов взрывов.

 

 

Разработка методов оценки свойств массивов горных пород в процессе их обуривания шпурами или скважинами позволит производить оперативную корректировку параметров взрывания и контроля качества добываемых в данном блоке руд. Разработка и установка на экскаваторах приборов контроля их работы поз­волят на основе информации, получаемой от этих приборов, опе­ративно оценить качество взрыва, оптимальность принятых пара­метров взрывания и при необходимости вносить в них изменения (сетка скважин, тип и удельный расход ВВ). Это же позволяет оценить достоверность геологических данных по данному блоку, а также установленных норм по стойкости инструмента и смен­ной производительности буровых станков и при необходимости показать, насколько необходимо скорректировать исходные гео­логические данные. Внедрение указанных приборов позволит создать автоматизированную подсистему управления буровзрыв­ными работами на предприятии.

2. В области техники бурения скважин на карьерах. Взамен выпускаемых в настоящее время серийных станков для бурения шарошечными долотами диаметром 214, 244 мм на крупных карь­ерах создаются шарошечные буровые станки нового поколения для скважин диаметром 160, 244, 269, 320 и 400 мм, которые обес­печат достижение в 2—2,5 раза более высокой сменной производи­тельности по сравнению с уровнем 1985 г. Создаются высокопроиз­водительные мобильные станки для бурения вертикальных и на­клонных скважин диаметром 160 мм шарошечными долотами или мощными пневмоударниками и ударно-шарошечными инстру­ментами для карьеров и объектов небольшой годовой производ­ственной мощности (до 500 тыс. м³), а также для крупных карьеров при ведении взрывных работ на проектном контуре, на глубоких горизонтах при отбойке трудновзрываемых пород, особенно при циклично-поточной технологии. На крупных железорудных карь­ерах будут применяться станки огневого бурения, обеспечиваю­щие расширение нижней части скважин с 243 до 400 мм и более. На новых буровых станках будут применяться системы автомати­ческого управления режимами бурения, обеспечивающие эксплуа­тацию станков в предельно напряженных, до допустимых по санитарно-техническим нормам (по вибрации) режимах. Внедрение систем автоматического управления позволит в любых условиях достигать максимально возможной производительности станков при высоком уровне их надежности.

Создаются станки для бурения контурных скважин диаметром 160 мм с наклоном мачты перпендикулярно к его продольной оси, что обеспечит существенное повышение точности их располо­жения в массиве и повысит качество образуемой при взрыве кон­турной щели.

Создаются опытные модели автономных на колесных тракторах станков с гидроударниками для бурения скважин диаметром 100—125 мм на объектах небольшой производственной мощности

 

 

Буровые станки и в первую очередь эксплуатируемые на карь­ерах должны, быть оборудованы также приборами и средствами количественного определения взрываемости обуреваемых мас­сивов (крепости и трещиноватости), качества минерального сырья и средствами передачи полученной информации на центральный пункт ее обработки с помощью ЭВМ. На этом пункте будет произ­ведена корректировка процесса взрыва данного блока и принято решение по дальнейшей переработке подготавливаемого сырья. Кроме того, станки должны быть оборудованы системами автома­тического горизонтирования и приборами пространственной ориен­тации наклонных, особенно контурных скважин, а также счетчи­ками машинного времени и системой диагностики работы основных узлов станка-робота—информатора нового технического уровня.

3. В области ассортимента промышленных ВВ и технологии заряжания. Дальнейшее развитие получат простейшие ВВ за­водского и местного изготовления типа смесей гранулированной пористой селитры с жидкими и твердыми горючими добавками. Увеличивается объем применения водосодержащих горячельющихся ВВ, изготавливаемых вблизи мест их применения. Пункты приготовления ВВ и зарядная техника должны быть рассчитаны на выпуск и переработку по заказу предприятия гранулирован­ных и водосодержащих ВВ. Существенно расширится объем при­менения механизированного заряжания скважин на крупных карьерах. Создание крупных специализированных объединений по ведению взрывных работ (по типу объединений Кривбасс-взрывпром, КМАвзрывпром) для обслуживания отдельных горно­добывающих регионов: Урал, Казахстан и т. д. — позволит с наи­большей эффективностью реализовать схемы комплексной меха­низации взрывных работ и достигнуть высокого коэффициента использования зарядных машин и пунктов подготовки ВВ, а также значительно снизить объемы применения тротилсодержащих ВВ.

Все крупные склады ВМ и схемы механизации взрывных работ должны предусматривать прием и переработку ВВ в мягких контейнерах грузоподъемностью 1 т, а также для отдаленных райо­нов страны в жестких контейнерах общего назначения разной грузоподъемности с их хранением на открытых площадках.

Поставка селитры на крупные пункты приготовления ВВ вблизи мест их использования должна осуществляться в мягких контейнерах, вагонах-хопперах и в изотермических цистернах в жидком виде. Последний способ позволит резко снизить энерго­затраты на приготовление водосодержащих ВВ, исключив про­цессы ее гранулирования и растворения на пунктах.

При расстоянии транспортирования ВВ более 20 км от заряжаемых блоков целесообразно для обеспечения зарядных машин взрывчатыми веществами применять машины—цистерны грузо­подъемностью более 30 т. Схемы механизации взрывных работ должны применяться и на карьерах небольшой производитель-

 

 

ности, обеспечивая решение, прежде всего социальной задачи мак­симального облегчения труда взрывников.

В связи с углублением карьеров и увеличением объема разра­ботки обводненных трудновзрываемых пород процент использо­вания водоустойчивых высокоплотных ВВ возрастает, будет су­щественно расширено применение механизированного заряжания обводненных скважин, заряжание скважин вслед за бурением.

После решения задачи создания водоустойчивых высокоплот­ных водосодержащих ВВ объем их применения с использованием технологии подачи заряда на забой скважины под столб воды бу­дет существенно расширен, особенно на крупных карьерах.

4. В области средств инициирования. Создаются более надеж­ные универсальные шашки — промежуточные детонаторы для инициирования зарядов в сухих и обводненных скважинах. По­лучат применение для монтажа взрывной сети детонирующий шнур с навесками ВВ на 1 м его длины 4—6 г, а для инициирования за­рядов — мощные детонирующие шнуры с навесками 20 и 40 г.
Определенное развитие получит применение маломощных дето­нирующих шнуров.

Пиротехнические замедлители детонирующего шнура КЗДШ должны быть двойного действия, что упростит их установку во взрывной сети. Будут разработаны средства инициирования заря­дов в скважинах в заданной точке и с заданным интервалом за­медления. Широкое распространение на карьерах получит уп­равляемое электровзрывание по радиосигналу. Получат приме­нение детонирующие шнуры, переменной мощности для много­точечного инициирования зарядов. Широко должны использо­ваться приборы выходного контроля качества детонирующего шнура на заводах ВМ, что сведет к минимуму отказы из-за не­обнаруженных дефектов.

5. В области технологии взрывных работ. Завершение иссле­дований и выдача методических рекомендаций по применению тех или иных методов управления интенсивностью дробления массива позволят в любых условиях получат требуемый результат взрыва по дроблению, ширине развала и порядку размещения в навале взорванной горной породы.

Будут широко внедрены методы управления дроблением с по­лучением заданных результатов дробления, ослабление прочности кусков и улучшения раскрытия минеральных зерен в рудах чер­ных и цветных металлов. Это дает крупный экономический эф­фект за счет снижения энергозатрат на переработку руд и увели­чение выхода металла в концентрат при обогащении. Такого же улучшения показателей переработки можно достигнуть и на карь­ерах других отраслей (строительных материалов, минеральных удобрений и т. д.). Получат повсеместное внедрение сейсмобезопасная технология ведения взрывных работ и сейсмоконтроль каче­ства массовых взрывов. Разработка средств контроля и точного обнаружения отказавших скважинных зарядов позволит значи-

 

 

тельно повысить уровень безопасности взрывных работ. Завер­шатся работы по обоснованию методов ведения взрывных работ в приконтурной зоне и параметров контурного взрывания, что обеспечит значительное повышение устойчивости откосов уступов и бортов карьеров.

6. В области вторичного дробления негабарита широкое при­менение получат методы взрывания, обеспечивающие разрушение крупных кусков на небольшое число частей с минимальным раз­летом кусков.

Значительное развитие получат механические бутобои, осо­бенно при циклично-поточной технологии, а также расширится их применение в других областях ведения земляных и горных ра­бот, особенно в гидротехническом, мелиоративном строительстве. За взрывными работами сохранится доминирующая роль как уни­версального, наиболее мобильного и эффективного способа раз­рушения и перемещения любых требуемых объемов горных пород с самыми различными свойствами.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Демидюк Г. П., Бугайский А. Н. Средства механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных взрывчатых веществ. М., Недра, 1975,

2. Единые правила безопасности при взрывных работах. М., Недра, 1976.

3. Кутузов Б. Н. Взрывные работы. М., Недра, 1980.

4. Нормативный справочник по буровзрывным работам. М., Недра, 1986.

5. Перечень рекомендуемых промышленных взрывчатых материалов. М., Недра, 1987.

6. Поздняков 3. Г., Росси Б. Д. Справочник по промышленным взрывча­тым веществам и средствам взрывания. М., Недра, 1977.

7. Справочник по буровзрывным работам./М. Ф. Друкованый, Л. В. Дуб­нов, Э. О. Миндели и др. М., Недра, 1976.

8. Технические правила ведения взрывных работ на дневной поверхности. М., Недра, 1972.

9. Технические правила ведения взрывных работ в энергетическом строи­тельстве. М., Энергия, 1967.

10. Механизация технологических процессов взрывных работ. — В кн.: Взрывное дело № 87/44. М., Недра, 1985.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1