Державний комітет України з нагляду за охороною праці
Державний комітет України з нагляду за охороною праці
Національний науково-дослідний інститут охорони праці
Прокопенко Віктор Степанович
УДК 622.235.5:622.271
Фізико-технічні основи
руйнування скельних порід вибухами свердловинних зарядів вибухових речовин у рукавах
05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному науково – дослідному інституті охорони праці
Науковий консультант – доктор технічних наук, професор
Ткачук Костянтин Нифонтович, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, заступник директора з наукової роботи
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Воробйов Віктор Васильович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри
доктор технічних наук, професор Федоренко Павло Йосипович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою
доктор технічних наук, професор Петренко Володимир Дмитрович, Національний університет залізничного транспорту Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою
Провідна установа – Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, кафедра відкритих гірничих робіт (м. Дніпропетровськ)
Захист відбудеться 27.02.2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 в Національному науково-дослідному інституті охорони праці за адресою: 04060, м. Київ-60, вул. Вавілових, 13.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, Україна, м. Київ-60, вул. Вавілових, 13.
Автореферат розісланий 24.01.2003 р.
Учений секретар спеціалізованої
вченої ради, кандидат технічних наук І.М. Ковтун
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Дисертація присвячена розробленню і впровадженню фізико-технічних основ руйнування скельних порід вибухами свердловинних зарядів вибухових речовин (ВР) в рукавах.
Актуальність теми. В Україні видобуваються значні об'єми твердих корисних копалин відкритим способом за допомогою вибухової технології руйнування гірських порід, яка й на ближню перспективу залишиться основною. Однак сучасний стан розвитку цієї технології характеризується низьким коефіцієнтом використання енергії вибуху, економічною невигідністю підривання порід із застосуванням дорогих ВР, що спричиняє неконкурентоспроможність кінцевої продукції. Крім того, при заряджанні в свердловини з водою ВР вимиваються, що призводить до часткових або повних відмов вибуху, погіршення якості вибуху, хімічного забруднення території і водних ресурсів. Для виходу з цієї складної ситуації у Національних програмах поліпшення стану безпеки, гігієни праці та виробничого середовища на 1996…2000 роки і на 2001…2005 роки (Постанови КМ України від 2.11.1996 р., № 1345 і від 10.10.2001 р., № 1320) передбачено створення нових ВР, засобів заряджання свердловин і ряд інших завдань з вибухової справи.
У зв'язку з викладеним розроблення і впровадження фізико-технічних основ методів і засобів формування та вибуху свердловинних зарядів ВР, що приводить до підвищення ефективності руйнування скельних порід, є актуальною науково-прикладною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з планами НДР інституту “УкрНДІпроект” (№ ДР 01.86.0047170, № ДР 01.90.0057447) і Національного науково-дослідного інституту охорони праці (№ ДР 0102U000696), планами робіт ЗАТ “Експериментально-промислова технологія вибухових робіт” (№ ДР 0102U000634), при виконанні яких автор був науковим керівником і відповідальним виконавцем.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розроблення і впровадження фізико-технічних основ методів і засобів формування та вибуху свердловинних зарядів вибухових речовин в рукавах при руйнуванні скельних порід для зниження витрати і вартості застосовуваних ВР.
Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей дії вибуху, динаміки і квазістатики формування зарядів ВР у рукавах з шаром води або повітря вздовж стінок свердловини для розробки ефективних способів, технічних засобів і ВР при заряджанні свердловин.
Основні задачі досліджень:
1) дослідити напружено-деформований стан і розміри зони руйнування скельних порід при дії вибуху свердловинних зарядів ВР у рукавах з зазорами біля стінок свердловин, науково обґрунтувати раціональні розміри зазорів і ефективність їх заповнювачів (вода, повітря) за розмірами зон руйнування для різних порід і ВР;
2) установити закономірності процесів динамічного формування зарядів ВР у рукавах, розробити метод аналізу умов і вибору параметрів заряджання свердловин;
3) установити закономірності квазістатичного формування зарядів ВР у рукавах;
4) дослідити та обґрунтувати раціональні режими ініціювання зарядів ВР у рукавах з зазорами біля стінок свердловин для підвищення їх ефективності;
5) розробити методику розрахунку параметрів підривних робіт з використанням свердловинних зарядів у рукавах;
6) розробити і обґрунтувати способи та технічні засоби формування зарядів у рукавах;
7) науково обґрунтувати вимоги до властивостей ВР у рукавах, способи отримання цих властивостей і розробити склади, які задовольняють цим вимогам;
8) виконати економічну оцінку, промислову перевірку і впровадження результатів досліджень на гірничовидобувних підприємствах.
Об'єктом дослідження є процес руйнування скельних гірських порід енергією вибуху свердловинних зарядів.
Предметом досліджень є процеси дії вибуху і формування зарядів ВР у рукавах у водному або повітряному середовищі свердловин, раціональні параметри зарядів ВР і засобів їх ініціювання, а також способів і технічних засобів підготовки зарядів і заряджання їх на кар'єрах.
Методами дослідження є сучасні методи наукових досліджень: чисельний метод для розв'язання нелінійної задачі взаємодії ударних вибухових хвиль зі зв'язаною системою "ПД– заповнювач зазору–гірська порода", який базується на явній скінченно-різницевій схемі типу "хрест" другого порядку точності по просторовій і часовій координатах; відомий чисельний метод Рунге–Кутта для дослідження динаміки формування зарядів ВР у полімерних рукавах при заряджанні свердловин; аналітичний метод при вивченні закономірностей усадки зарядів ВР при їх водонаповненні в процесі заряджання свердловин, виявленні особливостей ініціювання свердловинних зарядів у полімерних рукавах і обгрунтуванні параметрів ініціаторів, обгрунтуванні способів і пристрою подачі полімерного рукава в процесі засипання ВР у свердловину, обґрунтуванні способів і технічних засобів укладання полімерного рукава в пакет, при визначенні коефіцієнта корисної дії вибуху зарядів ВР у рукавах; експериментальні дослідження в лабораторних і промислових умовах проведені з метою перевірки результатів, отриманих при розрахунках чисельними і аналітичними методами; математична статистика застосовувалася для обробки експериментально отриманих результатів; економічний аналіз використовувався для обґрунтування затрат на реалізацію розроблених способів, технічних засобів, рекомендацій.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в дисертації уперше:
1) на основі сучасної дилатансійної моделі гірської породи В.М. Ніколаєвського розв'язана початково-крайова задача про дію вибуху в скельних породах свердловинних зарядів ВР у рукавах з урахуванням зв'язаності полів термодинамічних величин системи “продукти детонації (ПД)–заповнювач зазору (вода, повітря)–гірська порода”; у результаті чисельного розв'язання задачі отримані закономірності зміни напружено-деформованого стану порід залежно від відстані до джерела вибуху і часу, швидкості дилатансії, відношення радіуса свердловини до радіуса заряду, речовини заповнювача зазору (повітря, вода);
2) установлено, що підвищення ефективності руйнівної дії вибуху зарядів у рукавах з зазорами біля стінок свердловин порівняно з дією вибухів зарядів без зазорів у скельних породах, поряд з відомими фактами зниження початкового і середнього гідростатичного тиску з відстанню і збільшення тривалості дії імпульсу, обумовлене посиленням часової і просторової нерівномірності динамічного навантаження породи;
3) теоретично встановлено і експериментально підтверджено, що розміщення ВР у рукаві в сухій або обводненій свердловині з оптимальним зазором, що дорівнює 0,15...0,30 радіуса свердловини, в скельних породах супроводжується ефектом збільшення радіуса руйнівної дії на 17...30 %; величина цього ефекту зменшується у міру зростання міцності порід і зменшення значень детонаційних характеристик ВР;
4) розроблені математичні моделі динаміки процесу формування зарядів ВР у полімерних рукавах у сухих і обводнених свердловинах при дискретно-порційному та неперервному завантаженні ВР; на основі досліджень цих моделей установлено:
принципово неможливо неперервно формувати заряд у рукаві при рівні води в свердловині, вищому від граничного, величина якого при заданих діаметрах рукава і свердловини, а також сили гальмування рукава залежить від глибини, кута нахилу свердловини і сумарного коефіцієнта фільтрації свердловинної води в заряд;
сила гальмування рукава є важливим управляючим фактором, який обмежує швидкість руху рукава в процесі його подавання і впливає на динаміку всього процесу формування заряду;
аналіз параметрів свердловин і вибір режиму подавання ВР спрощуються при використанні діаграми процесу в координатах “продуктивність потоку ВР–висота води в свердловині”;
5) квазістатична стадія процесу формування заряду сипучої аміачно-селітряної ВР у рукаві завершується в основному протягом 2...5 годин. При цьому відбувається затухаюча його усадка внаслідок розчинення, ущільнення та згинання колонки ВР, а також утворення дефектних відхилень від проектного стану, що пов'язано з умовами формування заряду та випадковими факторами;
6) установлено, що при забезпеченні в заряді режиму перестисненої детонації руйнівна дія його вибуху характеризується оптимальною залежністю від параметрів проміжних детонаторів. Максимальна ефективність вибуху досягається при розподілі уздовж заряду проміжних детонаторів: точкових діаметром 0,06...0,39 діаметра заряду; у вигляді дисків (низьких циліндрів) діаметром 0,85...0,95 діаметра заряду; одного чи кількох подовжених (лінійних) детонаторів діаметром 0,025...0,245 діаметра заряду.
Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи забезпечується вибором сучасної моделі динамічної поведінки гірської породи при вибухах; коректністю постановок теоретичних задач; використанням строгого математичного підходу, що включає сучасні чисельні та аналітичні методи розв'язання початково-крайових задач; добрим узгодженням результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними автора та інших науковців; використанням методів математичної статистики; широкою дослідно-промисловою перевіркою і високою ефективністю впровадження результатів роботи в виробництво.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі нових наукових результатів розраховані і застосовані в практиці раціональні параметри зарядів, свердловин і зазорів, способів і технічних засобів підготовки і заряджання в свердловини зарядів ВР у рукавах. Розроблені інженерні методики розрахунку: поперечних зусиль у матеріалі рукава; необхідної довжини рукава; максимальної продуктивності потоку ВР і граничного найменшого діаметра труби пристрою подачі рукава; кроку гвинта пристрою укладки рукава в пакет; параметрів підривних робіт за допомогою зарядів ВР у рукавах. Розроблені науково обґрунтовані рекомендації щодо формування рецептур ВР, що використовуються при заряджанні свердловин.
Результати досліджень пройшли промислові випробування і впроваджені на гірничих підприємствах Росії і України. Зокрема, ВАТ "Взрывпром Юга Кузбасса" регулярно реалізує розроблені автором технологію заряджання та пристрої подачі рукава: на розрізах Південного, Центрального і Північного Кузбасу (всього 15 розрізів), на розрізах ВО "Востсибуголь" (Іркутськ) та інших (довідка про економічний ефект від впровадження наукових розробок від 14.01.2002 р.). Система заряджання в обводнені свердловини нагороджена 20.02.2001 р. дипломом міжнародної виставки-ярмарки "Экспо-Уголь". Реалізація розробок автора здійснюється на кар'єрі ДНРУ ВАТ "Полтавський ГЗК" (довідка про результати впровадження від 15.02.2002 р.) і кар'єрах Кривбасу (довідка про результати впровадження від 6.03.2002 р.). Розроблена технологія має високий ступінь готовності до більш широкого використання на інших гірничих підприємствах України.
Особистий внесок здобувача в праці, які були опубліковані разом із співавторами:
отримання та аналіз експериментальних даних про технологію та технічні засоби заряджання свердловин в обводнених умовах [1]; аналіз технологій заряджання ВР у рукави в умовах Південного Кузбасу і опис пристрою подачі рукава в свердловину [2]; розрахункові параметри зарядів ВР з використанням пристрою подачі рукава та аналіз умов його застосування [3]; опис математичної моделі процесу формування заряду в полімерний рукав при водонаповненні [4]; аналіз результатів експериментальних і промислових вибухів [8]; опис і аналіз технології заряджання ВР в полімерних рукавах [10]; ідея розрахунків, аналіз результатів і висновки [11]; запропоновано склад ВР і обґрунтування основних методичних положень розроблення і впровадження ВР місцевого приготування [14]; рецептура ВР і аналіз ефективності їх застосування [16]; постановка задачі, аналіз результатів розрахунків [22]; розроблення технології заряджання обводнених свердловин, схем коротко-сповільненого підривання і конструкції зарядів [23]; аналіз ефективності руйнування порід з урахуванням фізичних факторів впливу [24]; аналіз моделі процесу формування зарядів у полімерний рукав [25]; основна ідея винаходу та його опис [26–31, 33–37, 39–43).
Апробація результатів дисертації проведена на: науково-технічних семінарах УкрНДІпроекту (Київ, 1991…1993 рр.), науковому семінарі Національного науково-дослідного інституту охорони праці (Київ, 1994 р.); засіданнях міжвідомчої ради з вибухової справи України (2000…2002 рр.); науково-технічних нарадах асоціації "Укрвибухпром" (2000…2002 рр.); VI Всеросійській нараді з підривних робіт "Взрыв-97" (Мєждурєченськ, 1997 р.); науково-технічних нарадах ВАТ "Взрывпром Юга Кузбасса" (1996…2002 рр.); семінарі з підривних робіт на відкритих гірничих роботах (США, Канада, грудень 1997 р.); ІІІ Міжнародній конференції з буропідривних робіт (Москва, 1997 р.). У повному обсязі результати дисертації доповідалися на: науковому семінарі кафедри інженер-ної екології Національного технічного університету “КПІ” (2002 р.); наукових семінарах Національного науково-дослідного інституту охорони праці (2002 р.).
Публікації. Основні результати досліджень опубліковано в 44 друкованих працях. Серед них видано 24 статті та 1 брошуру.
Пріоритет у розробленні та розв'язанні даної проблеми захищений 19 патентами України та Росії.
Об'єм і структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний об'єм дисертації становить 380 сторінок разом із 69 рисунками на 51 сторінці, 9 таблицями, списком літературних джерел з 299 найменувань та додатком на 4 сторінках.
Основний зміст роботи
У вступі виконана загальна характеристика роботи: розкрито сучасний стан досліджень руйнування гірських порід вибухами свердловинних зарядів, обгрунтована необхідність проведення наукових досліджень і технічних розробок з цього напрямку, визначена актуальність теми дисертації, сформульована мета і задачі роботи. На основі аналізу основних результатів дисертації обґрунтовано їх наукову новизну та практичне значення. Розкрито особистий внесок автора у наукові праці, опубліковані разом із співавторами. Наведені дані про зв'язок дисертаційної роботи з науковими темами і про апробацію результатів досліджень.
У першому розділі дисертації виконано критичний аналіз відомих досліджень з проблеми застосування енергії вибуху для руйнування скельних гірських порід. Відзначено, що у розвиток теорії і практики з цієї проблеми внесли великий вклад відомі вітчизняні і зарубіжні вчені: Ф.А. Баум, В.Ф. Бизов, В.В. Бойко, В.О. Боровиков, О.Е. Власов, О.О. Вовк, В.В. Воробйов, В.Д. Воробйов, С.С. Григорян, Г.П. Демидюк, М.Ф. Друкований, Л.В. Дубнов, Е.І. Єфремов, Я.Б. Зельдович, В.М. Комір, В.Г. Кравець, М.В. Крівцов, В.М. Кузнєцов, Р.С. Крисін, Б.М. Кутузов, Ф.І. Кучерявий, П.З. Луговий, М.В. Мельников, Ю.С. Мец, А.В. Михалюк, В.М. Ніколаєвський, В.Д. Петренко, Г.Й. Покровський, В.М. Родіонов, М.О. Садовський, К.П. Станюкович, К.Н. Ткачук, П.Й. Федоренко, О.М. Ханукаєв, В. Дюваль, Г. Ірвін, М. Кук, І. Лангефорс, Б. Кільстрем, Н. Райнхардт, Н. Ріхер, Г. Сельберг, К. Хіно та багато інших.
Використання названими та іншими авторами відомих наукових, технічних і технологічних розробок забезпечувало в практиці підривних робіт позитивні результати. Однак у багатьох випадках, зокрема в складних гірничогеологічних умовах, які характеризуються збільшенням глибини розробки корисної копалини, суттєвою різноманітністю фізико-механічних властивостей порід, сильною обводненістю розроблюваних масивів, підвищеним гірським тиском та іншими несприятливими факторами, не забезпечується ефективне руйнування скельних гірських порід. У цих випадках порушується безперебійна робота навантажувально-транспортних засобів, знижується продуктивність праці, зростають втрати корисної копалини. Відомі раціональні методи управління енергією вибуху, у тому числі найбільш ефективний метод – короткосповільнене підривання, забезпечують зрос-тання коефіцієнта корисного використання енергії вибуху не більше, ніж на 8…10 %.
Застосування сучасних промислових ВР, у тому числі і деяких місцевого приготування, не сприяє підвищенню ефективності руйнування скельних порід. Крім цього, вони не відповідають екологічним вимогам, що висуваються до пилогазових викидів у атмосферу робочої зони при підривних роботах. Орієнтація на використання найпростіших безтротилових емульсійних ВР пов'язана з меншою роботоздатністю порівняно з грамонітами і гранулітами; неможливістю комбінованого заряджання свердловин і формування зарядів сумішевих ВР на основі емульсії і найпростіших; можливістю забруднення ВР буровим шламом у процесі заряджання.
Підвищення коефіцієнта корисного використання енергії вибуху на руйнування порід може бути досягнуто застосуванням зарядів з радіальними (кільцевими) зазорами вздовж стінок свердловин, фізичні можливості яких ще недостатньо вивчені, хоч за даними багатьох дослідників їх реалізація забезпечує збільшення об'єму і поліпшення якості руйнування скельної породи, ущільнення і викиду грунту (праці О.О. Вовка, О.М. Ханукаєва, Б.М. Тартаковського, Б.Д. Христофорова, Г.І. Чорного, А.В. Михалюка, М.А. Кука, Л.М. Марченко, М.В. Мельникова, В.О. Боровикова, І.Ф. Жарикова, І.А. Лучка, В.О. Плаксія, І.К. Ситникова та інших).
Використання зарядів з радіальними зазорами, які утворюються при формуванні зарядів ВР у рукавах, здешевлює підривні роботи в 1,5…2 рази за рахунок застосування відносно дешевих неводостійких ВР, здатних детонувати в рукавах незалежно від обводненості та проточності свердловини. При цьому виклю-чається ймовірність забруднення підземних вод розчинними компонентами і знижу-ється ступінь забруднення навколишнього середовища пилогазовими викидами.
Як випливає з літературних джерел, проблема руйнування скельних порід за допомогою вибуху свердловинних зарядів у рукавах комплексно не досліджувалася. Відомі лише теоретичні дослідження в спрощених математичних постановках, експериментальні роботи з метою виявлення механізму дії вибуху зарядів такої конструкції, а також епізодичні промислові вибухи, які були вдало проведені завдяки кмітливості виконавців у конкретних умовах. Необхідність розв'язання цієї проблеми загострилася з переходом України до ринкової економіки. Не було з'єднано в єдину систему наукові дослідження, технічні і технологічні розробки: неповно досліджені закономірності напружено-деформованого стану порід при вибухах зарядів таких конструкцій; відсутнє наукове обґрунтування раціональних співвідношень між радіусами свердловин і зарядів у рукавах залежно від властивостей матеріалу зазору, порід і ВР; не досліджені закономірності і науково не обґрунтовані способи формування свердловинних зарядів ВР у рукавах; не розроблені наукові рекомендації щодо вибору раціональних типів ВР для заряджання обводнених свердловин зарядами в рукавах; не досліджені закономірності усадки ВР при їх водонасиченні; не встановлені можливі дефекти в зарядах у процесі заряджання свердловин; не розроблені і не обґрунтовані раціональні способи і засоби підготовки та ініціювання зарядів у рукавах при заряджанні обводнених свердловин; не розроблена спеціальна науково обґрунтована методика розрахунку параметрів свердловинних зарядів ВР у рукавах і рекомендації щодо практичного застосування технології заряджання обводнених свердловин зарядами в рукавах.
Автором дисертаційної роботи були поставлені названі вище основні задачі і вибрані відповідні методи їх розв'язання.
У другому розділі викладені результати математичного моделювання динаміки скельних порід при вибухах свердловинних зарядів ВР у рукавах з зазорами вздовж стінок свердловин. Формулюється постановка задачі про вибух циліндричного заряду, розміщеного по осі свердловини, яка може бути сухою і заповненою водою. Якщо діаметр заряду d0 менший за діаметр свердловини dс, то в сухій свердловині між зарядом, поміщеним у рукав, і стінкою свердловини є повітряний кільцевий зазор, а в свердловині з водою цей зазор заповнений водою. При d0 = dс заряд є суцільним.
Приймається схема миттєвої хвильової детонації, згідно з якою весь заряд детонує миттєво, по всьому його об'єму встановлюється однаковий великий почат-ковий тиск газу Рн з щільністю rн, яка дорівнює початковій щільності ВР. Від конта-ктного розриву “продукти детонації (ПД)–вода (або повітря)” по останньому середо-вищу починає поширюватися ударна хвиля, а по ПД – збіжна хвиля стиснення.
Розглядається зв'язана задача для ПД, заповнювача зазору і гірської породи, яка обумовлена зв'язаністю полів термодинамічних величин у цих суцільних середовищах.
Закони збереження маси, кількості руху і енергії для даної зв'язаної системи при вибуху циліндричного заряду записуються в змінних Лагранжа. Розширення ПД відбувається згідно з двочленним рівнянням стану. Рівняння стану води приймається у вигляді рівняння Тета. За рівняння стану повітря прийнято енергетичне рівняння для ідеального газу.
Для опису динаміки скельної породи застосовується пружнопластична дилатансійна модель В.М. Ніколаєвського, згідно з якою в зоні пружних деформацій зміни напружень в породі пов'язані зі швидкостями деформацій законом Гука в конвективній формі. У гірській породі виникають пластичні деформації, якщо виконується закон сухого тертя у формі Треска. Пластичні деформації описуються неасоціативним законом течії, який для циліндричної системи координат і при нехтуванні пружним зсувом зводиться до дилатансійного рівняння.
Для задачі вибрані відповідні початкові умови: в початковий момент швидкість дорівнює нулю в об'ємі заряду, в зазорі і породі; тиск дорівнює початковому в об'ємі заряду і дорівнює нулю в зазорі і в породі; щільність середовища дорівнює щільності заряду в об'ємі заряду, щільності матеріалу зазору і щільності породи за межами зазору.
Граничними умовами задачі є: умова рівності нулю масової швидкості руху на осі заряду та умова неперервності нормальних радіальних напружень і масової швидкості на рухомих контактних розривах “ПД–заповнювач зазору” і “заповнювач зазору–гірська порода”.
Викладено метод чисельного розв'язку цієї нелінійної задачі про взаємодію ударних хвиль зі зв'язаною системою “ПД–заповнювач зазору–гірська порода”, який базується, як зазначалося, на явній скінченно-різницевій схемі типу “хрест” другого порядку точності по просторовій і часовій координатах. Вибір даного методу обумовлений специфічними особливостями поставлених задач: нестаціонарність області визначення, наявність сильних розривів – ударних хвиль, контактних розривів.
Розрахунки виконані для різних гірських порід (аргіліт, алевроліт, базальт, граніт, вапняк, мармур, піщаник) і вибухових речовин (грамоніт 79/21, тетрамон ГС-2, акватол Т-20, грануліт Д-5 сухий, грануліт Д-5 вологий). Діаметр заряду приймався рівним 0,18 м, а діаметр свердловини складав 0,20; 0,22; 0,25; 0,28; 0,32 м.
Аналіз результатів розрахунків показав, що: нехтування впливом хвильових процесів у ПД (тобто нехтування зв'язаністю задачі) спричинює відмінність у якісних і кількісних характеристиках процесу деформування гірської породи – зменшення середнього гідростатичного тиску в породі на 30…50 % і відсутність повторних піків тиску, які мають суттєвий вплив при руйнуванні порід; механізм деформування і руйнування гірської породи (зокрема алевроліту) при додатних (L0=0,3 і L0 = 0,5) і від'ємних (L0 = – 1,17) значеннях початкової швидкості дилатан-сії різний. При L0<0 досягаються більші значення максимального тиску в середній і дальній зонах вибуху. При L0>0 спостерігається чітко виражений повторний макси-мум тиску, який збільшується зі зменшенням L0 і викликає руйнування гірської породи, оскільки повторна хвиля проходить по попередньо стисненому масиву. При L0 < 0 повторний пік тиску не спостерігається, але є ділянка від'ємного тиску, яка відповідає розтягу гірської породи, за рахунок якого й відбувається її руйнування.
Для досліджених порід, діаметрів зарядів і свердловин отримані графічні функціональні залежності середнього гідростатичного тиску, швидкості руху частинок, щільності середовища від часу на різних відстанях від вибуху, а також максимальних тисків від відстані. Доведено, що наявність зазору навколо заряду приводить до збільшення радіуса зони руйнування на 17…23 % при повітряному і на 22…30 % при водному зазорі між зарядом і свердловиною порівняно з радіусом зони руйнування при відсутності зазору навколо заряду (рис. 1). Встановлено, що ефективність вибуху свердловинного заряду з кільцевим зазором, заповненим повітрям або водою, забезпечується зниженням максимального тиску і збільшенням тривалості імпульсу, а також наявністю повторних піків тиску, що приводить до багатократного навантаження породи та її руйнування. Створення повітряного або водного зазору навколо заряду приводить до того, що в ближній зоні вибуху (до 10 радіусів заряду) зі збільшенням ширини зазору відбувається падіння максимального тиску. Наявність шару речовини з суттєво меншими акустичними параметрами, ніж в ПД і в гірській породі, спричинює зменшення втрат енергії у ближній зоні. Це веде до того, що в середній зоні руйнування порід (40…60 радіусів заряду) інтенсивність згасання хвиль у випадку заряду без зазору або з меншими розмірами зазорів набагато більша, ніж у випадку великих зазорів (рис. 2). Збільшення ширини зазору приводить до більшого падіння тиску в ближній зоні дилатуючої породи, збільшення швидкості дилатансії веде до збільшення величини і числа повторних піків тиску, що викликає підвищення інтенсивності процесів руйнування порід в середній зоні та збільшення розмірів зони руйнування в цілому.
Виявлено, що при вибуху зарядів з кільцевим радіальним зазором дальня зона вибуху (80…120 радіусів заряду) за межами зони руйнування характеризується в 1,1…1,4 рази вищим (порівняно з суцільним зарядом) рівнем дилатансійного розущільнення порід і, як наслідок, зниженням їх міцнісних властивостей.
При дослідженні впливу детонаційних характеристик ВР при вибуху зарядів з зазорами встановлено, що наявність водного або повітряного зазору дозволяє зменшити втрати енергії. Чим вищі детонаційні характеристики ВР, тим ефективнішим є використання водного або повітряного зазору, який забезпечує збільшення тривалості дії імпульсу і більш повну передачу гірській породі енергії, накопиченої у водному або повітряному середовищі зазору.
З метою перевірки висновків теоретичних розрахунків дії вибуху свердловинних зарядів ВР у рукавах і без них, а також оцінки числових значень параметрів цих зарядів для технологічних розрахунків були проведені експериментальні дослідження в лабораторних, полігонних і промислових умовах на гірничих підприємствах України і Росії.
Лабораторні дослідження параметрів вибухових хвиль виконувались на об'ємних металевих моделях циліндричної форми діаметром 100 мм і висотою 120 мм. По осі моделі висвердлювали шпур глибиною 60 мм. Діаметр шпуру дорівнював 3 мм для заряду без зазору; 3,3 мм; 3,6 і 4,5 мм – для зарядів з водним і повітряним зазорами. Зарядом був ТЕН масою 400 мг. На рівні середини заряду з зовнішньої сторони моделі по лінії її діаметра кріпилися два датчики для реєстрації з допомогою осцилографа С 8-17 нормального напруження і прискорення частинок. Використовувалася стандартна методика замірів параметрів вибуху за допомогою п'єзокерамічних перетворювачів. Отримані експериментальні криві підтверджують результати теоретичних розрахунків і висновків відносно механізму передавання енергії вибуху заряду в масив через зазор. При відсутності зазору спостерігається типовий імпульс з ударним фронтом і подальшим плавним згасанням напружень і прискорення частинок. При наявності зазору різко зростає динамічність процесу вибуху такого заряду і спостерігаються повторні максимуми навантаження моделі. Аналогічні результати відомі з публікацій інших авторів.
З застосуванням теорії подібності і підходу Г.Й. Покровського до визначення коефіцієнта корисного використання енергії вибуху сферичного заряду на руйнування і викиду гірської породи розроблена методика оцінки ефективності дії вибуху за воронкою викиду свердловинних зарядів суцільної конструкції і в рукавах з зазором. При цьому розроблені критерії ефективності дії вибуху на руйнування породи зарядів ВР в рукавах порівняно з дією вибуху суцільного заряду; ефективності дії вибуху таких зарядів на переміщення порід, а також критеріальні залежності, які визначають методику проведення і аналізу дослідних вибухів зарядів з кільцевим зазором. Оцінка ефективності дії вибуху зарядів методом воронкоутворення здійснена на основі експериментальних даних, отриманих на розрізах Півдня Кузбасу в породах: легкопідривних із щільністю r ” 2,54 Ч 103 кг/м3 і питомою енергоємністю руйнування порід qs ” Ч 103 Дж/м3; середньопідривних – r ” 2,60Ч103 кг/м3 і qs ” 90Ч103 Дж/м3; труднопідривних – r ” 2,65 Ч 103 кг/м3 і qs ” 120 Ч 103 Дж/м3.
Встановлено, що застосування свердловинних зарядів з кільцевим зазором забезпечує суттєве (в 1,3...1,6 рази) зростання коефіцієнта корисного використання енергії вибуху, що виражається в збільшенні об'єму зруйнованих порід (рис. 3). Показано, що чим менша міцність породи, тим ефективнішим є застосування зазору між зарядом і породою.
Рис. 3. Зміна критеріїв оцінки воронки викиду залежно від міцності порід на стиснення при вибуху суцільних зарядів і зарядів з повітряним зазором: 1 – Dвр/Dвс; 2 – fдр /fдс; 3 – fвр /fвс; , , , – усереднені експериментальні дані
У результаті статистичної обробки даних цих експериментів отримані вирази для радіуса і глибини воронки (приведені до глибини свердловини) для вибуху суцільних зарядів і зарядів з кільцевим зазором у вигляді функцій від відношення довжини заряду до глибини свердловини.
З аналізу і зіставлення експериментальних і теоретичних досліджень установлено:
- експериментально підтверджена оптимальність відношення діаметрів свердловини і заряду в діапазоні 1,25…1,37, що забезпечує збільшення радіуса руйнівної дії вибуху заряду з зазором порівняно з вибухом суцільного заряду на 17…23 % при повітряному зазорі і на 22…30 % – при заповненні зазору водою;
- установлено зростання ефективності дії зазору відносно радіуса зони руйнування до 5 % при збільшенні швидкості детонації ВР в межах від 2300 м/с (тетрамон ГС) до 5600 м/с (акватол Т20);
- теоретично виявлена і експериментально підтверджена закономірність зниження ефективності дії зазору за розміром зони руйнування по мірі підвищення категорії трудності вибухового руйнування порід з 27…30 % в легкопідривних породах, до 17…18 % – в труднопідривних породах;
- підвищення ефективності вибуху свердловинного заряду з радіальним кільцевим зазором, заповненим водою або повітрям, досягається перш за все через зменшення максимального тиску і збільшення тривалості імпульсу, а також через те, що навантаження породи по мірі збільшення ширини зазору набуває пульсуючого характеру;
- при вибуху зарядів з кільцевим зазором відбувається сповільнення процесу розкриття свердловини в 1,1…1,4 рази, що сприяє повноті протікання вторинних хімічних реакцій в продуктах вибуху.
У третьому розділі виконані дослідження динаміки формування свердловинних зарядів ВР у полімерних рукавах з метою обгрунтування та оптимізації параметрів технологічного процесу заряджання свердловин і організації технічного забезпечення цих робіт.
Для розв'язання цієї проблемної задачі розроблені математичні моделі для двох схем формування свердловинних зарядів – дискретно-порційної, з періодичним опусканням у свердловину тіл–рукавів з ВР циліндричної форми заданої довжини L і маси m, і схеми неперервного завантаження заряду ВР у тіло–рукав, який опускається в свердловину безпосередньо з пристрою подачі рукава.
Особливістю розроблених моделей процесів є врахування гідродинамічних сил, що діють на циліндричне тіло (в загальному випадку змінної маси, довжини і навіть форми), яке нестаціонарно рухається в свердловині, частково заповненій водою. Гідродинамічна дія сил на тіло–рукав з ВР, який занурюється в шар води, що знаходиться в свердловині, кардинально змінює характер руху тіла порівняно з сухою свердловиною. Результатом цього може бути закупорка свердловини як в місці контакту з водою, так і в інших ділянках, що вкрай небажано.
Для обох схем завантаження динаміка процесу описується принципово однаковими рівняннями. Приймається, що тіло рухається уздовж осі Z, паралельної осі свердловини.
У випадку сухої свердловини процес описується рівнянням, яке в загальному випадку похилої свердловини (a – кут між її віссю та нормаллю до земної поверхні) має вигляд
(1)
і доповнене рядом співвідношень між параметрами задачі.
Початкові умови задачі: z =L0, dz/dt = 0 при t = 0.
Тут m (t) – маса рухомого тіла, Fs – сила опору і Fd – додаткова сила, обумовлена процесом неперервного завантаження. Схемі дискретно-порційного завантаження відповідає m = m0, Fd = 0, а для схеми неперервного завантаження
де Fd – гальмівна сила на пристрої подачі рукава; Q – витрата ВР в одиницю часу; mп* – маса одиниці довжини поліетиленового рукава; V0 – швидкість подачі ВР на рухому плівку тіла; t* – час підходу сповзаючої ВР до верхнього торця тіла змінної маси і довжини, яке формується в процесі опускання в свердловині; R1 – радіус тіла–рукава; rВР – щільність ВР.
Для свердловини, заповненої водою, починаючи з координати Z = Н1, на сухій ділянці 0?Z<H1 рух тіла описується рівнянням (1). Після досягнення тілом поверхні води динаміка його руху, з огляду на наявність в його головній частині фільтраційних отворів для води, описується системою рівнянь
; (2)
(3)
з початковими умовами
;
,
де t1 – момент досягнення тілом води; U1 – його швидкість в цей момент; М – приведена маса динамічного процесу; Fа – архімедова сила; Fр – сила, обумовлена гідродинамічним тиском нев'язкої природи; Fф – сила опору (тертя), обумовлена в'язкістю середовища; – сила, обумовлена додатковим тиском, необхідним для подолання опору в'язкого тертя об тіло і стінки свердловини; Fс – сила, обумовлена збільшенням маси ВР; Fф – сила, що враховує фільтраційний процес; – висота стовпа води в тілі–рукаві; – коефіцієнти, які визначаються гідродинамікою занурення тіла в поточний момент часу. Система (2), (3) доповнена також рядом співвідношень між параметрами задачі.
Дискретно-порційній схемі завантаження відповідає Fd = 0, Fс = 0, а також свій характер визначення гідродинамічних сил. Головним параметром, що визначає фільтрацію води всередину тіла–рукава, є приведений (сумарний) коефіцієнт фільтрації
,
де – кількість отворів фільтрації; – площа їх поперечних перерізів; – коефіцієнт втрат на вході; Кф – коефіцієнт фільтрації середовища ВР; бф – коефіцієнт поздовжньої деформації частини тіла, заповненої водою; ф – довжина ділянки фільтрації; n – пористість ВР.
Всі гідродинамічні сили визначаються за припущення циліндричної форми тіла–рукава, з урахуванням того, що його ділянка, заповнена водою, змінює свою форму таким чином, що її довжина зменшується і передня частина набуває форми зрізаного конуса. Для визначення сил тиску нев'язкої природи використовувався інтеграл Бернулі нестаціонарного руху ідеального нестисливого середовища. Для визначення сил тертя використовувався апарат теорії ламінарного і турбулентного пограничних шарів. При розв'язанні рівняння фільтрації, крім гідравлічного напору біля фільтраційних отворів, враховувався також гідродинамічний тиск.
На основі розробленої математичної моделі були виконані розрахунки динаміки завантаження свердловин, як сухих, так і частково заповнених водою. Використані три варіанти комбінацій радіусів тіла R1 і свердловини R2: 1) R1 = 0,09 м; R2 = 0,11 м; 2) R1 = 0,1 м; R 2 = 0,125 м; 3) R1 = 0,13 м; R2 = 0,16 м і два варіанти стартової маси тіла – m0 = 25 кг і m0 = 10 кг, а також два значення кута нахилу – б = 1°, б = 20°. Величина постійної у часі витрати ВР Q варіювалась у діапазоні від 2 до 8 кг/с. Приймалось, що гальмівна сила Fd залежить від швидкості руху тіла:
,
де а, b і с – експериментальні сталі величини.
Розрахунки для сухої свердловини показали, що управляти процесом завантаження ВР можна за допомогою параметрів Q, a і Fd. Збільшення кута a дозволяє збільшити величину гранично допустимої витрати Q, при якій виключається можливість розриву плівкової поверхні тіла–рукава. Переважна кількість чисельних експериментів виконана для схеми з неперервним завантаженням у випадку свердловин, частково заповнених водою. Одержані в результаті характеристики руху тіла дозволили встановити ряд закономірностей і особливостей. Встановлено, що основними фізичними параметрами, які визначають характер процесу завантаження, є витрата Q, віддаль до рівня води у свердловині Н1, товщина шару води Н – Н1, кут нахилу свердловини a, значення сумарного коефіцієнта фільтрації аф і в меншій мірі – значення R1 і R2 у розглянутому діапазоні їх зміни.
В результаті чисельних експериментів встановлена принципова неможливість забезпечити занурення тіла в режимі сталої витрати Q на задану довільну глибину Н. Показано, що при заданому a кожному рівню води Н1 в діапазоні можливих значень аф відповідає своя можлива глибина занурення z m, куди може дійти тіло без захлюпування його верхнього торця водою. Залежність z m від аф при інших однакових значеннях параметрів має характерний пікоподібний вигляд (рис. 4).
Вершина піку відповідає ситуації, коли вода захлюпує верхній торець тіла в момент, коли він знаходиться на поверхні землі. При більших значеннях аф реалізується режим захлюпування тіла водою в свердловині, що небажано, а при менших значеннях аф реалізується режим “пересипу”, коли довжина тіла з ВР більша за глибину його занурення. Величина zm істотно залежить від Н1, рівня води у свердловині Нв, a і в меншій мірі від Q.
Одержані результати дозволяють стверджувати, що оптимальними режимами схеми неперервного завантаження будуть такі, в яких в процесі досягнення тілом дна свердловини взагалі не матиме місця захлюпування тіла водою, або якщо завантаження відбувається в режимі “пересипу”. Останнє досягається тим, що про-цес відбувається при значенні параметра аф, меншому від того, що відповідає піку.
З метою практичного використання при виборі головних параметрів процесу завантаження свердловини були побудовані дев'ять діаграм можливих реалізацій режимів завантаження. Діаграми побудовані в змінних Q–Нв для різних комбінацій параметрів задачі, представлених на діаграмах. На рис. 5 наведена одна з цих діаграм. Область 1 діаграми відповідає ситуації, коли забезпечується повне завантаження свердловини без захлюпування тіла водою. Область 2 відповідає ситуації, коли завантаження відбувається в режимі “пересипу”. У цьому випадку необхідно виконувати періодичні зупинки процесу завантаження. Саме області 1 і 2 є придатними для реалізації процесу завантаження свердловини. Область 3 відповідає випадку, коли тіло, не досягнувши дна, починає підніматись вгору, що є небажаним. Області 4 і 5 відповідають режимам, коли має місце захлюпування тіла водою усередині свердловини, що також є небажаним. Ліва гранична
