Техника и комбинированная технология обуривания уступов на карьерах

С.А.Гончаров, проф., д.т.н., МГГУ

Н.Л.Вяткин, д.т.н.,

И.Г.Коротаев, инж., АО «Карельский окатыш»


Известно, что для скважинных зарядов зависимость удельного расхода взрывчатых веществ (ВВ) от диаметра скважины определяется эмпирическим выражением [1]:

                                 
где q — удельный расход ВВ кг/м3;

p — плотность породы, т/м3;

f — коэффициент крепости пород по шкале проф. М.М.Протодьяконова;

dc — диаметр скважинного заряда, мм;

do — размер отдельностей блочного массива, м.

Анализ этой формулы показывает, что удельный расход ВВ должен линейно возрастать с увеличением диаметра скважинного заряда. Только в этом случае можно добиться заданного качества взрывного дробления массива. Это один из аргументов не в пользу применения шарошечных станков для бурения на карьерах скважин повышенного диаметра (более 250 мм).

Вторым аргументом является то обстоятельство, что с увеличением диаметра скважинного заряда уменьшается время запирания устья скважины в момент взрыва, так как в этом случае уменьшается сопротивляемость сдвигу материала забойки относительно стенки скважины в пересчете на единицу массы ВВ. Это приводит к  уменьшению времени взрывного импульсного нагружения в любой точке разрушаемого массива с увеличением диаметра скважинного заряда, а, следовательно, полезная работа (упругое деформирование массива) и КПД взрыва будут уменьшаться. Последнее можно проиллюстрировать с помощью рис.1, где показан качественный характер изменения давления (P) во времени (t) в любой произвольной точке массива для двух случаев: 1 - время действия взрывного импульса мало, что соответствует меньшему времени запирания устья скважины в момент взрыва; 2 - время действия взрывного импульса больше, чем в первом случае, что соответствует большему времени запирания устья скважины. Площадь, ограниченная абсциссой и соответствующей кривой (1 или 2) на рис.1, есть ни что иное, как работа деформирования единицы объема в данной точке за время действия взрывного импульса [Дж.с/м3]. Как видно из рис.1, в первом случае эта работа всегда меньше, чем во втором, во столько раз, во сколько площадь, ограниченная осью абсцисс и кривой 1, меньше, чем площадь, ограниченная осью абсцисс и кривой 2. Во столько же раз будет меньше и КПД взрыва в первом случае по сравнению  со вторым, а, следовательно, при одинаковом удельном расходе ВВ качество взрывного дробления массива в первом случае будет хуже, чем во втором.

Последнее обстоятельство является причиной того, что в  абсолютном большинстве горнодобывающих стран, кроме стран СНГ, Китая, Индии, при бурении на карьерах (особенно в крепких и весьма крепких породах) применяют станки пневмоударного и гидроударного бурения скважин малого диаметра (90-180 мм). Это позволяет при меньшем удельном расходе ВВ, но при значительно большем объеме буровых работ (в метраже) устранить вышеперечисленные недостатки, свойственные скважинным зарядам большего диаметра, а также обеспечить качественное взрывное дробление массива.

Устранить недостатки скважинных зарядов большого диаметра (низкий КПД взрыва) и недостатки скважинных зарядов малого диаметра (большой объем буровых работ) можно при использовании комбинированной технологии обуривания уступов на карьерах: бурение пионерных скважин малого диаметра (от 90 до 180 мм) пневмоударными или гидроударными станками по расширенной сетке с последующим термическим расширением их в нижней заряжаемой части до диаметра 300-350 мм огневыми станками.

С одной стороны, чем меньше диаметр пионерной скважины, тем выше скорость ее механического бурения. С другой стороны, чем меньше диаметр пионерной скважины, тем менее мощную горелку-терморасширитель можно применить для ее термического расширения (с меньшим расходом горючего).

Нами установлено, что расход горючего (Gг, кг/с), который можно обеспечить в горелке при расширении скважин в зависимости от их пионерного диаметра (Dс, м), можно представить полиномом четвертой степени.

Наилучшим образом себя зарекомендовали горелки совместной конструкции Московского государственного горного университета и Михайловского ГОКа. Эти горелки (рис.2) имеют водяное пылеподавление, воздушное охлаждение теплонапряженных узлов, прямоточную схему подачи горючего в камеру сгорания, прямо-противоточно-радиальную схему подачи окислителя (сжатого воздуха) в камеру сгорания. Благодаря применяемой схеме подачи окислителя в камеру сгорания происходит полное сгорание горючего в горелке, а ее работа является экологически безвредной.

Применительно к комбинированной технологии обуривания уступов на карьерах, проблематичным является вопрос выбора оптимального диаметра пионерной скважины. Дело в том, что при любом заданном диаметре пионерной скважины нельзя получить при термическом расширении котловую полость беспредельно большого диаметра, даже если скорость подъема горелки при расширении скважины будет стремиться к нулю. Для каждого пионерного диаметра скважины существует предельный диаметр котловой полости, который можно достичь при ее термическом расширении. При этом следует отметить, что при неподвижной горелке в начальный период расширения пионерной скважины скорость увеличения ее диаметра и объемная скорость термического разрушения породы будет максимальна и в дальнейшем, по мере увеличения диаметра котловой полости, эта скорость будет стремиться к нулю. Когда диаметр котловой полости достигнет предельно возможного значения для заданного диаметра пионерной скважины и, соответственно, заданной мощности горелки, объемная скорость хрупкого термического разрушения станет равной нулю.

На основании этого можно сделать весьма существенный практический вывод. Скорость подъема горелки в скважине не должна быть сколь угодно большой, так как при этом уменьшается диаметр получаемой котловой полости, что повлечет за собой сужение сетки скважин и увеличение объема бурения пионерных скважин. С другой стороны, с уменьшением скорости подъема горелки в скважине до некоторого предела, объемная скорость хрупкого термического разрушения породы будет постоянной. После этого предела объемная скорость хрупкого термического разрушения породы уменьшается. Поэтому скорость подъема горелки при расширении скважин на практике не должна быть ниже этого предела. При оптимальной скорости подъема горелки себестоимость термического разрушения единицы объема породы будет минимальна.

На рис. 3 в качестве примера приведена в графическом виде зависимость диаметра котловой полости (Dк) от скорости подъема горелки (Vп) в скважине при различных пионерных диаметрах скважин (Dс) и расхода горючего (Gг) для условий Костомукшского ГОКа (КГОК). Эта графическая зависимость получена согласно методике, приведенной в работе [2].

Численные значения  Dс = 0.13; 0.14; 0.149; 0.159; 0.172; 0.19; 0.2 м приняты, исходя из параметрического ряда диаметров долот для станков пневмоударного бурения. Численные значения расхода горючего (Gг) в горелках, предназначенных для расширения скважин с вышеприведенными пионерными диаметрами, получены согласно методике, приведенной в работе [2].

Анализ этой зависимости показывает, что при скорости подъема горелки (Vп) в процессе термического расширения скважин менее 7 м/ч темп увеличения диаметра котловой полости (Dк) выполаживается. Отсюда следует практический вывод: термическое расширение скважин на карьерах следует осуществлять при скорости подъема горелки, равной, примерно, 7 м/ч. Эта скорость является оптимальной. Об этом же свидетельствует и технико-экономический расчет по обоснованию оптимального диаметра пионерных скважин при комбинированной технологии обуривания уступов на карьерах. Результаты этого расчета в графическом виде приведены для условий КГОКа на рис. 4 и 5. Расчет приведен в соответствии с методикой, изложенной в работе [3].

Как показывает анализ зависимостей, приведенных на рис.4, минимальная себестоимость обуривания при комбинированной технологии для условий КГОКа имеет место при Vп » 7 м/с и при диаметре пионерной скважины 0.172. В этом случае себестоимость обуривания минимальна и равна 0.162 долл.США/м3.

В настоящее время себестоимость обуривания на КГОКе по традиционной технологии с помощью шарошечных станков составляет 0.445 долл.США/м3, что в 2.75 раза выше, чем при предлагаемой комбинированной технологии обуривания.

Для бурения пионерных скважин в крепких и крепчайших породах наиболее приемлемы (по техническим и экономическим показателям) станки фирмы TAMROCK и, в частности, станок D25KS DRILTECH.

Станки для термического расширения скважин в настоящее время изготавливает канадская фирма ROCMEC INTERNATIONAL INC. Станок, разработанный совместно с Московским государственным горным университетом, получил название «Дракон» (рис. 6).

Станок «Дракон» предназначен для термического расширения пионерных скважин диаметром от 90 до 200 мм в крепких и особо крепких терморазрушаемых скальных породах. В конструкции станка «Дракон» впервые применена гибкая термо-, масло- и абразивостойкая резинокордовая штанга, внутри которой проложены гибкие магистрали для подачи топлива в горелку, воды для пылеподавления и электрический кабель для системы дистанционного зажигания топлива в камере сгорания горелки. Сжатый воздух подается в горелку по гибкой штанге.

По эксплуатационной надежности, производительности и комфортности этот станок превосходит станки аналогичного назначения, работающие в России и на Украине.

Станок «Дракон» включает в себя базовый грузовой автомобиль, на платформе которого установлены: компрессор, насосы для подачи воды и топлива, емкости для воды и дизельного топлива, гидравлическая система для горизонтирования станка, трехколенный гидравлический манипулятор длиной 7.2 м с сектором рабочего поворота 270о, на котором установлены:

· барабан-приемник для намотки гибкой штанги, в котором смонтирован распределитель подачи воды, топлива, сжатого воздуха и электроэнергии;

· гидросистема для вертикального перемещения и ориентирования навесного оборудования при установке горелки-расширителя над устьем скважины;

· бункерный шламонакопитель с установленным на нем патрубком для отвода паров воды с инжектором и вытяжным вентилятором;

· пульт управления, включающий: блок управления гидросистемой ориентирования навесного оборудования, систему дистанционного зажигания, жидкокристаллическое панно контроля перемещения горелки и глубины скважины (котлов), систему контроля маневровой и рабочей скорости подъема (опускания) горелки.

Конструкция навесного оборудования, барабана-приемника и распределителя позволяет использовать, с целью применения горелок- расширителей различного диаметра (72-120 мм) и мощности, три типоразмера гибких штанг в зависимости от диаметра пионерных скважин в диапазоне от 90 до 200 мм.5

Список литературы

1. «Справочник взрывника», Б.Н.Кутузов, В.М.Скоробогатов, Н.Е.Ерофеев и др., М., «Недра», 1988, 511 с.

2. Расчет параметров термического расширения скважин на железорудных карьерах. М., Горный журнал, №7, 1998. Авт. Гончаров С.А., Вяткин Н.Л., Калинин Н.Ф., Фурсов А.А.

3. Обоснование оптимальных параметров скважин при их термическом расширении. М., Горный журнал № 9, 1998. Авт. Гончаров С.А., Вяткин Н.Л., Фурсов А.А.

Журнал "Горная Промышленность" №5 1998