Обоснование эффективности взрывных работ с использованием электронных систем в сравнении с неэлектрическими средствами инициирования

Дробление горных пород взрывом многие годы является основополагающей задачей при добыче полезных ископаемых. Горные предприятия за последние годы подступили вплотную к границам населенных пунктов, особенно такие крупные, как железорудные карьеры в Курской магнитной аномалии, угольные разрезы в Кемеровской области, Ковдорский ГОК и др.¹ Только в одной Кемеровской области производится более 30 000 промышленных взрывов ежегодно. Учитывая такое расположение, следствием взрывных работ может явиться негативное сейсмическое и шумовое воздействие на близлежащие жилые массивы.

Для снижения негативных последствий от массовых взрывов на таких объектах применяют короткозамедленное взрывание. Основными средствами обеспечения короткозамедленного взрывания при добыче полезных ископаемых открытым способом в настоящее время выступают неэлектрические системы инициирования (НСИ) с пиротехническими замедлителями.

Целью данной статьи является проведение сравнительного анализа неэлектрических и электронных систем инициирования на базе проведенных испытаний.

Время замедления неэлектрических систем инициирования

Неэлектрические системы инициирования имеют ограниченный набор замедлений и ряд общеизвестных недостатков. Одним из них является отклонение номинального времени замедления от заявленного производителем в результате применения пиротехнического замедлителя, в котором замедление определяется скоростью горения пиротехнического состава [1; 2]. Погрешности замедлений касаются как скважинных, так и поверхностных изделий.

Однако при проектировании и ведении буровзрывных работ интервалы замедления выбираются без учета фактических отклонений. На основе проведенных с помощью высокоточного переносного цифрового электронного хронометражного прибора «TRIO Chronos» специалистами ООО «АЗОТТЕХ» испытаний были выявлены погрешности срабатывания детонаторов неэлектрических систем до 20% от номинального замедления. (рис. 1). Данная погрешность срабатывания не позволяет точно контролировать время замедления, а соответственно, и взрыва каждой скважины на взрываемом блоке, что приводит к увеличению негативного влияния массового взрыва вследствие синхронного взрыва больше запланированного количества скважин в одной серии. Вторым негативным эффектом при отклонении номинального времени срабатывания является ухудшение качества подготовки взорванной горной массы по причине неконтролируемого темпа отбойки взрывных скважин.

Рис. 1 Примеры отклонения номинального времени замедления от заявленного производителем 10 поверхностных изделий (а) 25 мс и (б) 42 мс

Fig. 1 Examples of deviations in the nominal delay times from the ones specified by the manufacturer for 10 surface products (а) 25 ms and (б) 42 ms

В условиях ежегодного роста добычи полезных ископаемых², применения высокопроизводительного горнотранспортного оборудования и увеличения объемов подготовленной взорванной горной массы остро встает вопрос о снижении негативного сейсмического влияния взрывных работ и повышения качества подготовки взорванной горной массы. Наиболее эффективным направлением в данных условиях является применение систем электронного взрывания.

Рис. 2 Система электронного взрывания Hitronic

Fig. 2 Hitronic Electronic Blasting System

Система электронного взрывания Hitronic (рис. 2) за счет возможности программирования любого времени замедления с шагом 1 мс и точностью срабатывания заданного замедления 0,02% дает возможность максимального снижения при проведении массового взрыва уровня сейсмического воздействия, ударно-воздушной волны, значительного сокращения выброса вредных продуктов взрывов, а также позволяет контролировать гранулометрический состав взорванной горной массы.

Преимущества электронных детонаторов

Основные преимущества системы электронного взрывания Hitronic заключаются в создании закодированного двустороннего соединения между электронными детонаторами и взрывным программным оборудованием3. Такой способ связи между детонаторами Hitronic и оборудованием:

• позволяет программировать время замедления для каждого детонатора с шагом в 1 мс;

• дает возможность распределения времени срабатывания электронных детонаторов в диапазоне 0–50 000 мс с точностью срабатывания ±0,02%;

• гарантирует контроль при монтаже взрывной сети; • дает возможность проверки работоспособности каждого детонатора;

• контролирует запас энергии каждого детонатора вплоть до момента взрыва;

• сигнализирует о любых отклонениях;

• не допускает инициирования сети до подачи сигнала с устройства взрывания.

Замер точности срабатывания электронных детонаторов, проведенный специалистами ООО «АЗОТТЕХ», показал отклонение при максимальном времени замедления в 50 000 мс меньше заявленного производителем, которое составило 0,016% (рис. 3).

Рис. 3 Замер точности срабатывания электронных детонаторов

Fig. 3 Measuring the accuracy of electronic detonators

Специалистами ООО «АЗОТТЕХ» также был проведен сравнительный анализ разницы срабатывания между изделиями неэлектрической и электронной систем инициирования. Для анализа было смоделировано время взрывов скважинного заряда неэлектрической системы инициирования (срабатывание скважинного изделия после передачи импульса от взрыва капсюль-детонатора поверхностного изделия). Для анализа применялись поверхностные изделия с номинальными замедлениями 17, 25, 42, 67 мс и скважинные изделия с номинальными замедлениями 450, 475, 500, 1000 мс. Электронные детонаторы были запрограммированы на суммарное время поверхностного и скважинного замедления неэлектрической системы инициирования (табл. 1). Разница между номинальным и фактическим временем срабатывания электронных детонаторов не превышала заявленного производителем и варьировалась в диапазоне от 0,002 до 0,02%, в то время как разница этого же времени неэлектрических систем инициирования находилась в диапазоне от 0,142 до 15%.

Таблица 1 Разница срабатывания детонаторов электронной и неэлектрической систем инициирования

Table 1 Difference in the triggering of electronic blasting systems and non-electric primers

Наличие двух конденсаторов в детонаторе Hitronic дает возможность безопасного осуществления проверки взрывной сети на наличие всех детонаторов в цепи и отсутствие обрыва линии непосредственно в границах блока. Применение первого конденсатора для указанных операций исключает возможность неконтролируемого инициирования воспламенительной головки, находящейся в детонаторе, но дает возможность прохождения всех необходимых проверок, в том числе проверку готовности воспламенительной головки к накаливанию. Использование второго конденсатора происходит уже за границами опасной зоны и приводит систему в боевую готовность (рис. 4).

Рис. 4 Устройство детонатора Hitronic

Fig. 4 Design of the Hitronic detonator

Немаловажными составляющими в работе данной системы являются простота при эксплуатации, понятный и удобный интерфейс программного обеспечения. Для снижения времени производства взрывных работ и определения оптимального места инициирования блока взрывперсоналом определяющим фактором является возможность производства дистанционного радиовзрывания в радиусе 5 км, а также применение группового взрывания двух или более блоков с возможностью всестороннего определения последовательности взрыва.

Электронная система инициирования дает возможность взрывания блоков нестандартной конфигурации, обусловленной сложными горно-геологическими условиями, а также каскадных взрывов нескольких блоков одновременно или последовательно за счет того, что срабатывание детонатора произойдет в четко запрограммированное время после подачи команды для производства взрыва. Такая возможность электронной системы снижает до нуля наличие отказов, которые могут появиться при обрыве или другом повреждении ударно-волновой трубки неэлектрической системы, связанных с разлетом горной породы.

При современных технических решениях [3; 4] и инновационных методах подбора интервалов замедлений между взрывами скважин возникает возможность определения оптимальных параметров для снижения негативного воздействия и повышения качества подготовки взорванной горной массы.

При производстве массового взрыва на земной поверхности одним из ограничивающих факторов, влияющих как на сейсмически безопасные расстояния, так и на качество подготовки ВГМ, является контроль взрывов скважинных зарядов в 20-миллисекундном окне, установленном «Правилами безопасности при производстве, хранении и применении взрывчатых материалов промышленного назначения», для расчета безопасных расстояний по сейсмическому воздействию как отдельный заряд с общей массой для группы. Такое определение единоразового взрыва связано с существующей погрешностью номинального времени замедления неэлектрических средств инициирования, установленных производителем. Новейшие электронные системы взрывания дают точность срабатывания каждого детонатора, что, в свою очередь, является фактором для рассмотрения возможности снижения 20-миллисекундного диапазона до 10 или 5 мс. Определение точного значения, до которого допустимо уменьшить указанный диапазон, возможно только после проведения большого количества взрывов и замера сейсмического воздействия. Снижение 20- миллисекундного диапазона позволит скорректировать проекты массовых взрывов в части выбора времени замедления и установления темпа отбойки.

При составлении технического расчета массового взрыва в большинстве случаев пренебрегают количественным показателем темпа отбойки в пользу расчета безопасного расстояния. Связано это с близлежащим расположением жилых зданий с горными работами. Так, если для необходимого качества взорванной горной массы на основании физико-механических свойств горной породы на месторождении определен темп отбойки 13 мс/м (рис. 5), то в 20-миллисекундном окне будет взрываться 8 скважин, что является неприемлемым в связи с ограничением взрываемых групп и единовременно взрываемого тоннажа взрывчатого вещества для группы. Снижение 20-миллисекундного диапазона до 10 мс дает уже 5 скважин, взрываемых в группе, и увеличение взрываемых групп на том же самом блоке.

Рис. 5 Темп отбойки горной массы 13 мс/м

Fig. 5 Face blasting rate of 13 ms/m

Заключение

Как показывает практика, достижение качественной степени дробления горных пород, нормальной проработки подошвы уступа, снижение нарушенности законтурного массива взрываемого блока, оптимизация затрат взрывных работ и снижение негативного влияния взрыва напрямую зависят от схемы инициирования скважинных зарядов и выбранного темпа отбойки горной массы, соответствующих конкретным горно-геологическим условиям месторождения. Анализ гранулометрического состава показывает, что благодаря точности срабатывания электронных детонаторов Hitronic и при правильном выборе темпа отбойки взрываемого блока качество взрыва существенно повышается в сравнении со взрывами, проведенными с использованием неэлектрических систем инициирования. Применение электронных систем инициирования может позволить увеличить объем взорванной горной массы за один массовый взрыв вблизи охраняемых объектов за счет точности срабатывания и вследствие снижения сейсмического воздействия. Кроме того, взрывание с использованием электронных детонаторов и использование их преимуществ могут позволить снизить значение удельного расхода взрывчатых веществ и снизить объем буровых работ за счет увеличения сетки скважин.

¹ ИА Красная Весна. Режим доступа: https://rossaprimavera.ru/news/813d25bc

² Открытый журнал. Режим доступа: https://journal.open-broker.ru/research/promyshlennoe-proizvodstvo-v-rossii-vyroslo/

³ User manual_HEBS Hitronic