Повышение эффективности применения углесодержащих взрывчатых веществ при открытой разработке угольных месторождений

Развитие экономики страны неразрывно связано с ростом добычи и переработки полезных ископаемых. Увеличение объемов и совершенствование технологии добычи полезных ископаемых в суш-ественной мере определяется состоянием одного из важнейших производственных процессов — буровзрывными работами, затраты на которые составляют около 30−40% от обпдей стоимости разработки горной массы. Поэтому очевидно, что повышение эффективности буровзрывных работ является актуальной задачей, от решения которой во многом зависит снижение себестоимости продукции и обеспечение технической и экологической безопасности.

Учитывая, что горно-геологические и климатические условия разработки месторождений постоянно усложняются, то перед исследователями и практиками постоянно возникают задачи по совершенствованию методов и средств ведения буровзрывных работ. И в первую очередь эффективность этого технологического цикла зависит от правильного (рационального) выбора взрывчатых веш, еств (ВВ).

На основании анализа современного состояния исследований и практических работ по применению различных ВВ с целью разрушения горных пород автор пришел к выводу о невозможности создания универсальных ВВ для взрывания пород в различных горно-геологических условиях. Поэтому, учитывая наметившуюся тенденцию использования на практике углесодержащих гранулитов и граммонитов, а также отсутствие данных о рациональных их свойствах, изучение термодинамических и детонационных параметров данных ВВ, а также области их рационального применения является актуальной задачей.

Цель работы — повысить эффективность применения углесодержапдих взрывчатых смесей при открытой разработке угольных месторождений посредством совершенствования их компонентного состава.

Основная идея работы заключается в том, что повышение эффективности применения углесо держащих взрывчатых смесей достигается на основе изучения закономерностей изменения их термодинамических и детонационных характеристик при различном соотношении компонентов.

Задачи исследований:

— установить закономерности изменения термодинамических и детонационных характеристик углесодержащих взрывчатых смесей и выявить условия их рационального применения при открытой разработке угольных месторождений;

— разработать технические средства изготовления и использования углесодержащих взрывчатых смесей и оценить их экономическую эффективность;

— разработать методику расчета параметров БВР при применении углесодержащих взрывчатых смесей в условиях разработки угольных месторождений открытым способом.

Методы исследований.

В работе использован комплекс методов, включаюшдй анализ математической модели взрыва скважинного заряда взрывчатого вещества различного компонентного состава в массиве горных пород с различными физико-механическими характеристиками, практическую проверку теоретических выводов и разработанных рекомендаций.

Научные положения, защищаемые автором:

— в простейших стехиометрических взрывчатых смесях замена части нефтепродукта (ДТ) на угольный порошок (УП) значимо не изменяет фугасную теплоту взрыва и она не зависит от соотношения жидких и твердых горючих компонентов в ВВ;

— неоднородность взрывчатой смеси (плохое смешивание компонентов) приводит к снижению работоспособности ВВ в условиях открытых горных работ на 30. .40%;

— снижение удельного расхода ВВ в породах крепостью 60 МПа и более может быть достигнуто водонаполнением углесодержащих взрывчатых смесей в пределах от 5 до 15%;

— скважинные заряды взрывчатого вещества, расположенные в полиэтиленовом рукаве, обеспечивающем в скважине радиальный зазор 35.40 мм, эффективнее сплошных зарядов на 17.20%.

Научная новизна работы заключается:

— в определении термодинамических и детонационных характеристик углесодержащих взрывчатых смесей в сухом и водонаполненном состояниях с учетом содержания в смесях аммиачной селитры, угольного порошка, дизельного топлива, тротила, загущающей добавки;

— в установлении закономерностей разрушения скальных и полускальных горных пород взрывами скважинных зарядов из различных углесодержащих взрывчатых веществ;

— в разработке критерия оценки относительной эффективности скважинных зарядов, с помощью которого установлено, что техническая эффективность граммонитов с содержанием тротила более 10% возрастает по мере увеличения прочности пород, причем, водонаполнение углесодержащих ВВ снижает эффективность действия зарядов в породах крепостью до 40 МПа и увеличивает ее в породах крепостью свыше 40 МПа;

— в установлении рациональных соотношений компонентов углесодержащих взрывчатых смесей в сухом и водонаполненном состояниях, а также влияния марки углей (наполнителей в составе ВВ) и их дисперсного состава на эффективность действия взрыва;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается: применением современных научных подходов для расчета термодинамических и детонационных параметров углесодержащих взрывчатых смесейприменением известной зонной теории и соответствующей математической модели взрыва скважинного заряда в горных породах, а также эффективного численного метода реализации этой моделиприменением устройств и приспособлений в лабораторных исследованиях в соответствии с ГОСТамирезультатами экспериментальных исследований, подтверждающих теоретические выводы, а также положительными результатами внедрения рекомендаций в практику буровзрывных работ.

Личный вклад автора заключается:

— в разработке критерия оценки относительной технической эффективности скважинных зарядов из углесодержащих взрывчатых смесей;

— в обосновании марки угля и оптимальной степени его дробления для изготовления углесодержащих гранулитов;

— в разработке конструкции гравитационного смесителя, обеспечивающем высокое качество смешивания компонентов при изготовлении смесевых вв;

— в разработке рекомендаций по рецептуре изготовления и применения углесодержащих ВВ, технологии их изготовления и использования;

— в разработке методики расчета параметров БВР при использовании углесодержащих ВВ.

Научное значение работы заключается в определении термодинамических и детонационных параметров углесодержащих взрывчатых веществ, разработке критерия относительной технической эффективности и оценки на его основе эффективности углесодержащих взрывчатых смесей.

Практическая ценность работы заключается в снижении себестоимости буровзрывных работ на основе рекомендаций по выбору рационального компонентного состава углесодержащих гранулитов и граммонитов для взрывания горных пород, как в сухих, так и в обводненных условиях, создании гравитационного смесителя для подготовки взрывчатых смесей с обеспечением технической и экологической безопасности работ, разработке методических рекомендаций по расчёту параметров буровзрывных работ при использовании углесодержащих взрывчатых веществ.

Реализация работы осуществлена на угольных разрезах ОАО «Угольная компания «Южный Кузбасс»: ОАО «Разрез Сибиргинский», ОАО «Разрез Томусинский», ОАО «Разрез Красногорский», ОАО «Разрез Ольжерасский" — ООО «Угольная компания «Карчаколь" — угольных разрезах, входящих в холдинговую компанию «Кузбассразрезуголь» .

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на совещаниях, конференциях, семинарах: V Всероссийское совещание по взрывным работам «Взрыв-96» (г. Качканар, март 1996 г.) — II Международная конференция по открытым горным работам (г. Москва, май 1996 г.) — VI Всероссийское совещание по взрывным работам «Взрыв-97» (г. Междуреченск, апрель 1997 г.) — III Международная конференция по буровзрывным работам (г. Москва, май 1997 г.) — семинар по взрывным работам на открытых горных работах (США, Канада, декабрь 1997 г.) — IV Международная конференция по буровзрывным работам (г. Москва, май.

1999 г.) — II Международное совещание по промышленной безопасности и эффективности новых технологий в горной промышленности (г. Москва, май.

2000 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, а также получено 3 патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 136 стр. текста, 8 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 111 источников.

Выводы.

По исследованиям раздела 4 можно сделать следующие выводы.

1. Экспериментально подтверждена более высокая относительная эффективность зарядов в оболочках с кольцевым радиальным зазором по сравнению со сплошными зарядами равной высоты.

2. Обводненность скважины резко снижает эффективность действия гранулитов из-за их низкой детонационной способности в обводненном состоянии при диаметре заряда 180.200 мм, поэтому использование бестротиловьгх углесодержащих составов в рукавах с водонаполнением нецелесообразно.

3. В условиях разрезов юга Кузбасса, для изготовления углесодержащих ВВ с использованием молотого угля с максимальным размером частиц до 3 мм без рассева по классам крупности, наиболее целесообразно применение угля марки КС.

4. С уменьшением размеров частиц угольного порошка эффективность взрыва возрастает при крупности частиц менее 0,37 мм. С Злетом технологических и экологических факторов оптимальным являются размеры частиц в пределах 0,37.0,9 мм.

5. Неоднородность компонентного состава углесодержащих ВВ низкокачественного смешивания снижает эффективность взрыва до 50%, которая не может быть скомпенсирована повышением эффективности, обусловленной размещением заряда в скважине в рукаве, т. е. созданием кольцевого радиального зазора.

6. Высокое качество смешивания углесодержащих ВВ может быть достигнуто путем разделения потоков вещества на подпотоки, смещением подпотоков во времени и обратного сложения подпотоков в результирующий поток в процессе перемешивания на разработанном и внедренном в производство в условиях ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса» гравитационном смесителе.

7. С учетом разработанных рекомендаций по рецептуре изготовления и применения углесодержащих ВВ, технологии их изготовления и использования в соответствии с рекомендуемой методикой расчета параметров БВР, экономический эффект в сравнении, с традиционной схемой заряжания, на одной скважине составляет от 400 до 1800 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе изложены научно-обоснованные технические и технологические разработки по совершенствованию компонентного состава углесодержащих взрывчатых веш-еств, обеспечиваюп1-ие решение важных прикладных задач в технологии открытой разработки угольных месторождений.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении и внедрении результатов исследований и технических разработок, заключаются в следующем.

1. Фугасная теплота взрыва углесодержащих ВВ значимо не зависит от соотношения твердых и жидких горючих компонентов и становится равной потенциальному запасу теплоты химических реакций смеси при кислородном коэффициенте равном или большем 1. Изменение кислородного коэффициента смеси в большую или меньшую сторону от стехиометрического состава приводит к уменьшению абсолютной величены фугасной теплоты со скоростью более высокой при положительном кислородном балансе.

2. При отрицательном кислородном балансе, увеличение содержания в гранулитах УП сопровождается усилением роли вторичных химических реакций в общем тепловыделении, сопровождающихся интенсивным выделением окислов углерода и низко теплоемких ПВ, а также, при содержании ДТ > 3,5% появлением свободного водорода. Это, в конечном итоге, несмотря на некоторое увеличение объемов газов снижает температуру взрыва и начальное давление ЕЮ.

3. Увеличение содержания УП в смеси гранулитов при положительном или нулевом кислородном балансе, объем газообразных ПВ снижается, но начальное их давление растет вследствие увеличения температуры и, соответственно, теплоемкости.

4. В сухих угл eco держащих граммонитах, при содержании тротила в пределах 5. 15% фугасная теплота взрыва возрастает в пределах 3900.4100 кДж/кг, с одновременным увеличением дефлаграционной составляющей. Однако, доля фугасной теплоты относительно полного запаса химической энергии смеси незначительно падает (до 97%). Абсолютная ее величина превышает фугасную теплоту углесодержащих гранулитов на 200. .600 кДж/кг.

5. Водонаполнение углесодержащих ВВ приводит к снижению зависимости кислородного коэффициента и взрывчатых характеристик смеси от процентного содержания в ней горючих компонентов. Однако, тепловой эффект взрыва уменьшается на 300.350 кДж на 1 кг сухого вещества за счет потерь тепла на испарение воды и образование окислов азота, но увеличивается количество газообразных ПВ и их начальное давление. Фугасная теплота взрыва водонаполненных углесодержащих граммонитов на 100. .300 кДж/кг выше, чем у гранулитов.

6. Детонационные параметры сухих углесодержащих гранулитов ниже, чем у граммонитов и значимо не зависят от содержания УП. Водонаполнение углесодержащих ВВ повышает скорость детонации, но одновременно увеличивает критический диаметр открытых зарядов со 150.170 мм до 320.400 мм у гранулитов и с 90.120 мм до 170.250 мм у граммонитов.

7. Разработан критерий оценки относительной технической эффективности цилиндрических зарядов ВВ, учитывающий основные термодинамические и детонационные свойства ВВ, пород и геометрию заряда. Техническая эффективность сухих гранулитов и граммонитов с содержанием тротила 5. 10% минимальна в породах средней 1фепости. Для граммонитов с содержанием тротила более 10% эффективность возрастает по мере увеличения прочности пород. Водонаполнение углесодержащих ВВ снижает эффективность действия зарядов в слабых породах и увеличивает ее в породах средней и высокой крепости.

8. Удлинение скважинного заряда при постоянной массе приводит к снижению его технической эффективности в слабых и приросту в крепких породах. По мере увеличения длины заряда его техническая эффективность стабилизируется.

9. В зоне влияния свободной поверхности заряды, размещенные в полиэтиленовом рукаве с кольцевым зазором, на 30% эффективнее сплошных зарядов равной высоты. Экспериментально подтверждена более высокая относительная эффективность зарядов в оболочках с кольцевым радиальным зазором по сравнению со сплошными зарядами равной высоты.

10. Обводненность скважины резко снижает эффективность действия гранулитов из-за их низкой детонационной способности в обводненном состоянии при диаметре заряда 180.200 мм, поэтому использование бестротиловых углесодержащих ВВ в рукавах с водонаполнением нецелесообразно.

11. В условиях разрезов Кузбасса, для изготовления углесодержащих ВВ с использованием молотого угля с максимальным размером частиц до 3 мм без рассева по классам крупности наиболее целесообразно применение угля марки КС.

12. С уменьшением размеров частиц угольного порошка эффективность взрыва возрастает при крупности частиц менее 0,37 мм. С учетом технологических и экологических факторов оптимальным являются размеры частиц в пределах 0,37. .0,9 мм.

13. Неоднородность компонентного состава углесодержащих ВВ низкокачественного смешивания снижает эффективность взрыва до 40%, которая не может быть скомпенсирована повышением эффективности, обусловленной размещением скважинного заряда в рукаве, т. е. созданием кольцевого радиального зазора.

14. Высокое качество смешивания углесодержаш, их ВВ может быть достигнуто путем разделения потоков вещества на подпотоки, смещением подпотоков во времени и обратного сложения подпотоков в результирующий поток в процессе перемешивания на разработанном и внедренном в производство в условиях ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса» гравитационном смесителе.

15. С учетом разработанных рекомендаций по рецептуре изготовления и применения угл eco держащих ВВ, технологии их изготовления и использования в соответствии с рекомендуемой методикой расчета параметров БВР, экономический эффект, в сравнении с традиционной схемой заряжания, на одной скважине составляет от 400 до 1800 рублей.