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 10е 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