Устройство и способ для взрывания горных пород

(51)7 21 37/14 НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ВЗРЫВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Технический результат изобретения - повышение производительности взрывных работ в горном деле. Для этого используют пневматическое взрывное устройство (1), вводимое в предварительно подготовленный шпур, имеет цилиндрический корпус или трубу (2), содержащий ряд пневматических пушек(4). Отверстия (3) в корпусе (2) направляют поток сжатого газа, выбрасываемого пневматическими пушками (4) так, чтобы произвести напор давления,достаточный для ослабления и смещения материала из зоны, окружающей шпур. Для дальнейшего усиления эффекта устройства (1) шпур может быть заполнен водой и уплотнен пакером (11), расположенным на устройстве (1) перед взрывом. 10684 Изобретение относится к взрывному устройству для использования при взрывании горных пород, в частности, на открытых горных разработках. В наиболее распространенных операциях при производстве взрывных работ в горных породах в качестве взрывчатого вещества используют нитроприлл. В настоящее время на открытых горных разработках взрывные работы проводят, во-первых,путем бурения шпуров в определенном порядке в пласте горной породы, который предполагают взорвать. При открытых горных разработках взрывные работы производят на террасах, причем часть террасы, которую предполагают взорвать, известна под названием пласт. В каждый шпур затем закладывают взрывчатое вещество, после чего из непосредственной зоны взрывных работ должны быть удалены весь персонал и оборудование, которое может быть повреждено, перед началом взрывов. После проведения взрывов зона должна быть освобождена полностью от минерального сырья и пустой породы, которые могут повредить используемое на месте оборудование. В добавление к присущим в данных условиях опасностям эти обычные способы проведения взрывных работ имеют много других недостатков, включая высокую стоимость работ по заполнению шпуров, высокую стоимость поставки и транспортировки используемых взрывчатых веществ. Прекращение операций по добыче во время проведения взрывных работ и зачистка непосредственной зоны после проведения взрывов увеличивают стоимость и затраты времени при выполнении таких операций. Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для его осуществления, которые позволяют, по крайней мере, частично преодолеть упомянутые выше недостатки. Для этого во взрывном устройстве, подсоединяемом к источнику сжатого газа, вводимом в предварительно подготовленный шпур и содержащем удлиненный корпус, включающий одну или более пневматических пушек, каждая из которых сопряжена с отверстием в боковой стенке корпуса, через которое газ, вырывающийся из пневматической пушки направляют под высоким давлением и с высокой скоростью для создания взрывного эффекта,по крайней мере, один пакер, расположенный на одном корпусе и образующий уплотнение между корпусом и стенками окружающего шпура так, что жидкость, подаваемая в шпур перед выполнением взрывной операции устройством, удерживается в шпуре, таким образом, усиливая взрывной эффект пневматической пушки при выстреливании. Предпочтительно, чтобы корпус имел трубчатую форму, содержащую множество отверстий или выхлопных ходов, расположенных вдоль одной его стороны. Резиноподобная обкладка может быть расположена в корпусе с отверстиями, соответствующими упомянутым отверстиям. Отверстия могут иметь овальную форму, хотя и другие формы могут быть найдены подходящими. Конкретно, было установлено, что Т-образная форма отверстия обладает 2 определенными достоинствами, заключающимися в том, что они дают возможность снизить отдачу, воздействующую на пневматическую пушку, вызванную действием сжатого воздуха, которому предоставлена возможность выхода с достаточно высокой скоростью из выхлопной камеры пневматической пушки. Предпочтительно пакеру придают форму надуваемого сальника, в то время как жидкость, обычно воду, подают в шпур по каскаду, выполненному в устройстве. Лучше, если каскад расположен так,чтобы обеспечить условия, при которых жидкость,выходящая из каскада, омывает корпус в области отверстий, чтобы предотвратить скопление пустой породы из шпура, снижающее эффективность устройства. Следует учесть, что пакер или пакеры можно располагать в любом месте на корпусе устройства,чтобы удовлетворить требованиям конкретной технологии взрывов. Например, если требуется взорвать горную породу в нижней части пласта, то пакер можно расположить около нижнего конца устройства, чтобы удерживать жидкость, которая в противном случае проникала бы в подрубаемую часть пласта. Упормянутое выше устройство используют для реализации способа взрывания, в котором используют, по крайней мере, одно взрывное устройство,описанное выше, и при котором бурят один или группу шпуров в пласте, подлежащем взрыванию,упомянутое устройство вводят в шпур и производят выстреливание из пневматической пушки или пушек, высвобождая сжатый воздух, подаваемый от источника, из пневматической пушки или пушек и заставляя его проходить через отверстие или отверстия для создания взрывного эффекта, действующего на пласт, окружающий шпур. Для более четкого понимания изобретения приведен ряд вариантов исполнения изобретения, которые далее будут описаны на примере и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено фиг. 1 изображает продольное сечение взрывного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением фиг. 2 - поперечное сечение взрывного устройства по линии А-А на фиг. 1 фиг. 3 - вид передней стороны, показанного на фиг. 1 устройства, ниже которой расположены отверстия фиг. 4 - вид взрывного устройства, показанного на фиг. 1, расположенного на месте, подготовленного для проведения взрыва фиг. 5 - вид в перспективе типичной группы шпуров, используемой для взрывания пласта фиг. 6 - вид сбоку верхней части устройства, выполненного в соответствии со следующим вариантом исполнения настоящего изобретения фиг. 7 - аналогичный вид нижней части устройства, представленного на фиг. 6 фиг. 8 - подробный боковой вид поперечного сечения, на котором показано отверстие и пневмати 10684 ческая пушка устройства, представленного на фиг.6,за исключением затвора для простоты изображения фиг. 9 - аналогичный вид, на котором показана пневматическая пушка в заряженном состоянии с затвором фиг. 10 - аналогичный вид, на котором показана пневматическая пушка в мгновенном положении максимального смещения затвора после осуществления выстрела фиг. 11 - вид, аналогичный изображенному на фиг. 8, на котором показан вариант исполнения отверстия. Взрывное устройство 1 (фиг. 1-5) содержит корпус, в данном случае изготовленный из бесшовной термически обработанной трубы 2 (Британский стандарт 2448/1629 52 или эквивалентный ему) с толщиной стенки, приблизительно равной 20 мм, длиной около 9 м и диаметром 150-200 мм. В трубе 2 имеются овальные отверстия 3, расположенные с одинаковым шагом вдоль передней стороны,причем отверстия 3 имеют максимальную высоту приблизительно 900 мм и максимальную ширину приблизительно 150 мм. Отдельные пушки 4, в качестве которых могут быть использованы сейсмические пушки обычной конструкции, расположены около каждого отверстия 3 в трубе, причем каждая пушка 4 имеет длину приблизительно 900 мм. Сверху и снизу от каждой пушки 4 приварена круглая плита 5 толщиной приблизительно 20 мм, для перегораживания трубы 2. Эти плиты 5 также способствуют приданию жесткости трубе 2 и могут служить опорами для пушек 4. Между плитами 5 с каждой стороны пушки 4 находится мертвое пространство,составляющее приблизительно 900 мм трубы 2, и с верхнего конца 7, и нижнего конца 8 устройства 1 находятся мертвые пространства в трубе 2, составляющие приблизительно 500 мм. Нижний конец 8 трубы 2 под самой нижней пушкой 4 выполнен в форме конуса для облегчения введения устройства 1 в пробуренный шпур. Сжатый воздух к пушкам 4 подают от источника сжатого воздуха, предпочтительно компрессора (на чертеже не показан), который подсоединяют с помощью соответствующего трубопровода к коллектору, по которому подают сжатый воздух к пневматическим пушкам. Пневматические пушки 4 заряжают перед выстрелом сжатым воздухом от компрессора, причем поддерживают давление сжатого воздуха с помощью клапана в каждой пушке до тех пор, пока все клапаны одновременно не переключают в открытое положение. При выстреле пневматических пушек 4 они создают удар воздуха из каждой пушки, направленный наружу из отверстия 3, в виде толчка давления. Плиты 5 способствуют фокусированию толчка давления, создаваемого сжатым воздухом, выходящим из отверстий 3. Пневмопровод направлен от компрессора для создания требуемого давления сжатого воздуха, например, 180 бар, и его вводят в устройство с помощью трубопроводной арматуры так, чтобы подать в герметичное пространство у верхнего конца трубы 2. Пневмопровод затем вводят под внутреннюю поверхность трубы 2 со стороны, противоположной отверстиям 3, пропускают через малые уплотненные отверстия в каждой плите 5 так, чтобы распределять сжатый воздух по коллектору (на чертеже не показан) к каждой пушке 4. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что устройство, описанное выше,пригодно для взрыва пласта горной породы толщиной 9 м. Однако устройство может быть использовано для взрывания пласта почти любой толщины простым изменением длины, ширины и количества применяемых пушек, и может быть использовано в шпурах любого большего диаметра, практикуемого в настоящее время. Изменяя форму отверстий 3 и/или шаг между пушками 4, можно создавать различные взрывные эффекты, и шаг между пушками 4 необязательно должен быть регулярным. Кроме того, путем использования соответствующей конструкции пневмопровода выстреливание пушек 4 может быть произведено не только одновременно, но и в виде очередей или в определенном порядке. Устройство, в одном конкретном варианте исполнения (на чертеже не показано), подсоединяют к обычной буровой установке только с небольшой модификацией, требующейся для присоединения устройства к установке, например, в форме кронштейна. Буровая установка должна содержать компрессор, который обеспечивает давление сжатого воздуха, требуемое для выстреливания пневматических пушек. В случае взрывания пласта толщиной 9 м оснащение требует опорной рамы величиной 9 м, с которой можно вводить устройство в пробуренные шпуры. В другом непоказанном варианте исполнения устройство присоединяют к установке посредством каретки на опорной раме. Лебедка, присоединенная посредством троса к рым-болту наверху устройства,позволяет опускать устройство в пробуренный шпур и спускать с опорной рамы так, чтобы обеспечить возможность убирать буровую установку с места взрыва, оставляя устройство подсоединенным к установке с помощью троса лебедки и пневмолинии. Пушки выстреливают при переключении триггера на установке и, таким образом, выстрел производят с безопасного расстояния. После завершения взрыва установка может быть возвращена на место и устройство может быть поднято с места взрыва с использованием лебедки и каретки на опорной раме. Буровая установка может дополнительно нести устройство и, для простоты, бур может работать от того же компрессора, что и устройство. Это позволяет использовать одну установку для проведения взрывных работ на пласте от бурения шпуров до выстреливания из пушек. Путем использования бура и взрывного устройства, объединенных в одну установку, можно производить выстреливание из пушек после бурения шпуров, расположенных один рядом с другим. 3 10684 Устройство должно быть расположено в шпуре 9(фиг. 4) так, чтобы передняя сторона устройства была обращена к участку пласта 10, который предполагают взорвать. Толчки давления при выстреливании пушек 4 направлены из отверстий 3 с передней стороны устройства. Рисунок расположения шпуров 9, показанный на фиг. 5, аналогичен рисунку расположения шпуров,применяемому при выполнении обычных операций в горных разработках. Однако эта группа шпуров также обеспечивает наиболее эффективные результаты при использовании устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 6 - 11, на которых соответствующие элементы обозначены теми же позициями, которые были использованы в ранее подсоединенным к установке с помощью троса лебедки и пневмолинии. Пушки выстреливают при переключении триггера на установке и, таким образом, выстрел производят с безопасного расстояния. После завершения взрыва установка может быть возвращена на место и устройство может быть поднято с места взрыва с использованием лебедки и каретки на опорной раме. Буровая установка может дополнительно нести устройство и, для простоты, бур может работать от того же компрессора, что и устройство. Это позволяет использовать одну установку для проведения взрывных работ на пласте от бурения шпуров до выстреливания из пушек. Путем использования бура и взрывного устройства, объединенных в одну установку, можно производить выстреливание из пушек после бурения шпуров, расположенных один рядом с другим. Устройство должно быть расположено в шпуре 9(фиг. 4) так, чтобы передняя сторона устройства была обращена к участку пласта 10, который предполагают взорвать. Толчки давления при выстреливании пушек 4 направлены из отверстий 3 с передней стороны устройства. Рисунок расположения шпуров 9, показанный на фиг. 5, аналогичен рисунку расположения шпуров,применяемому при выполнении обычных операций в горных разработках. Однако эта группа шпуров также обеспечивает наиболее эффективные результаты при использовании устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 6 - 11, на которых соответствующие элементы обозначены теми же позициями, которые были использованы в ранее приведенном описании,показан следующий вариант исполнения взрывного устройства 1. Устройство 1 содержит корпус, в данном случае цилиндрическую металлическую трубу 2, в котором размещена группа пневматических пушек 4, как показано более подробно на фиг. 3-5. Каждая пневматическая пушка 4 расположена у отверстия 3 в трубе 2, причем отверстия 3 расположены в одной и той же плоскости. Сжатый воздух подают к каждой пневматической пушке 4 по коллектору 19 в корпусе, причем имеется электрическая или какаялибо другая система управления выстреливанием,включающая кабель 20, например, оптико 4 волоконный кабель. Точка 9 присоединения трубопровода для подачи воды размещена на верхнем конце 7 корпуса устройства, от которой воду подают в каскад 10, размещенный у верхнего конца 7 корпуса устройства и, следовательно, выше отверстий 3. Корпус далее снабжен верхним и нижним накаченными сальниками или пакерами 11, 11, расположенными, соответственно, около концов 7, 8 корпуса. Обычно пакеры 11, 11 накачивают, используя ту же систему подачи сжатого воздуха, от которой питают пневматические пушки 4. Устройство действует следующим образом. Устройство 1 вводят в предварительно подготовленный шпур (на чертеже не показан), подвешенное на тросе 21, причем пакеры 11, 11 не надуты. Когда устройство установлено в шпуре, пакеры 11,11 надувают и подают воду в шпур по каскаду 10. Следует отметить, что вода, поступающая из каскада 10, проходит вниз по трубе 2, образующей корпус, и способствует удалению породы из зоны расположения отверстий 3. Воду подают до тех пор, пока шпур и полости в корпусе за отверстиями, образованными каждой выхлопной камерой 18 пневматической пушки 4, не заполнятся. Затем устройство может быть включено в действие путем выстреливания из пневматических пушек 4. Такие пневматические пушки 4 имеют обычный принцип действия, заключающийся в том, что сжатый воздух поступает и накапливается в камерах 12 а, 12 высокого давления по обе стороны от выхлопной камеры 18. Затвор 13 изолирует выхлопную камеру 18 от камер 12 а, 12 высокого давления в заряженном состоянии. Сжатый воздух выпускают во взрывном режиме из камер 12 а, 12 высокого давления путем срывания с места переключающего поршня 14, расположенного на одном конце затвора 13, по трубопроводу 17 для отвода сжатого воздуха под контролем электромагнитного клапана 16. Путем срывания с места переключающего поршня 14 под давлением сжатого воздуха, действующего на выстреливающий поршень 15 большей площади, затвор 13 перемещается вверх против силы тяжести из его заряженного положения или положения в седле, позволяя воздуху выйти во взрывном режиме и перейти в выхлопную камеру 18, содержащую воду и расположенную позади одного отверстия или прохода 3. В результате воздушный пузырь расширяется и затем мгновенно распадается так, что кавитационный эффект разрушает структуру горной породы в зоне действия устройства рядом с отверстиями 3. В случае использования подземного варианта исполнения устройства следует применять выпускной клапан, обеспечивающий возможность выхода перемещаемого воздуха из пробуренного шпура при действии устройства в горизонтальном положении. На фиг. 11 показан вариант исполнения отверстия, описанного выше, в котором отверстие 3 имеет Т-образную форму. Такая форма отверстия позволяет контролировать поток воздуха, вырывающийся из выхлопной камеры 18 пневматической пушки так,чтобы выстреливающий поршень 15 не испытывал 10684 торможения из-за невозможности для воздуха покинуть выхлопную камеру достаточно быстро. Следует иметь в виду специалистам в данной области техники, что описанный выше вариант исполнения может быть еще более усовершенствован в направлении повышения эффективности и облегчения использования описанного выше устройства. В отношении последнего пункта, в частности, паккеры могут быть надуты автоматически при контакте с водой. Такая особенность более удобна для верхнего паккера, который может служить для оператора индикатором того, что шпур заполнен водой. Кроме того, для предотвращения попадания жидкости в полость между пневматическими пушками это пространство может быть заполнено соответствующим пеноматериалом. К числу преимуществ устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, относится то, что его можно использовать повторно, в то время как взрывчатые вещества повторно использовать нельзя устройство, согласно изобретению, не создает никаких взлетающих в воздух частиц породы не требуется средств для доставки взрывчатых веществ и команд для их обслуживания не требуются операции по очистке территории может требоваться только один оператор могут быть сокращены затраты времени исключается риск головных болей из-за контакта с нитроглицерином сейсмические пушки не создают загрязнений окружающей среды много буровых установок, которые сейчас эксплуатируют, могут быть приспособлены для взаимодействия с одним из предложенных устройств. Отсутствие взрывных зарядов также способствует значительному снижению уровня шума, и при эффективно выполненной конструкции устройства,согласно изобретению, оно может действовать почти бесшумно. Следует также иметь в виду, что различные изменения и модификации могут быть внесены в описанные выше варианты исполнения без отступления от объема изобретения. Примером модификации описанного выше варианта исполнения устройства может быть изготовление дополнительного отверстия или ряда отверстий на противоположной стороне трубы 2, т. е. обращенных на противоположную сторону относительно существующим отверстиям 3. Это может привести к сбалансированному взрыву и может, таким образом, снизить отдачу устройства 1. Это, в свою очередь, может быть эффективным с точки зрения срока службы устройства. Устройство также может быть использовано в других областях применения, включая другие виды взрывов. Например, устройство может быть использовано в работах по сносу сооружений. Более того,там, где требуется взорвать материал, имеющий большую толщину, два или более таких устройств,может быть введено вместе в один шпур, и в этом случае, для удобства, установка может нести более одного устройства. В определенных случаях применения, например, при гашении пожаров на газовых или нефтяных скважинах, вместо использования сжатого воздуха, устройство может быть заряжено инертным газом или газами, которые, при высвобождении во взрывном режиме при выстреливании пневматической пушки или пневматических пушек,подавляют и гасят пламя. Следует дополнительно отметить, что при выполнении обычных горнодобывающих операций сначала бурят все шпуры, затем вставляют взрывные заряды и взрывают их одновременно. При использовании настоящего изобретения может быть более эффективным пробурить шпур, затем произвести взрыв предложенным устройством до того, как бурить следующие шпуры в этом пласте. Это может способствовать предотвращению при взрыве в одном шпуре частичного разрушения другого, уже пробуренного шпура, и, таким образом, к созданию препятствий для введения в него устройства. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для взрывания горных пород, подсоединяемое к источнику сжатого газа, включающее корпус и вводимое в предварительно подготовленный шпур, имеющее, по меньшей мере, один пакер,расположенный на одном конце устройства, образующий уплотнение между корпусом устройства и стенками окружающего его шпура и обеспечивающий удержание в шпуре жидкости, подаваемой в него перед началом действия устройства, расположенные в корпусе одна или несколько пневматических пушек, каждая из которых расположена против соответствующего отверстия, выполненного в корпусе, через которое газ, выпускаемый из пушек, направляется под высоким давлением и с высокой скоростью для создания взрывного эффекта, отличающееся тем, что каждая пушка содержит камеру высокого давления и выхлопную камеру, изолированные друг от друга затвором, включающим переключающий поршень, приспособленный срываться с места по трубопроводу для отвода воздуха, таким образом смещая затвор и высвобождая газ в камере высокого давления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве сжатого газа используют воздух. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем,что корпус имеет трубчатую форму. 4. Устройство по любому из пунктов 1-3, отличающееся тем, что корпус облицован эластомерным листовым материалом. 5. Устройство по любому из пунктов 1-4, отличающееся тем, что упомянутые отверстия расположены с одной стороны корпуса. 6. Устройство по любому из пунктов 1-5, отличающееся тем, что отверстие или отверстия имеют овальную форму. 7. Устройство по любому из пунктов 1-5, отличающееся тем, что отверстие или отверстия имеют Т-образную форму. 8. Устройство по пункту 1, отличающееся тем,что пакер выполнен в виде надутого сальника. 9. Устройство по пункту 1 или п. 8, отличаю 5 10684 щееся тем, что содержит каскадную систему для подачи жидкости в шпур. 10. Способ взрывания горных пород, при котором бурят шпур или группу шпуров в пласте, подлежащем взрыванию, взрывное устройство вводят в шпур, подают жидкость в шпур вокруг устройства,отличающийся тем, что используют, по крайней мере, одно взрывное устройство по любому из пре 6 дыдущих пунктов 1-9 и производят выстреливание из пневматической пушки или пневматических пушек, высвобождая сжатый воздух, подаваемый от источника, из пневматической пушки или пневматических пушек, и заставляя его проходить через отверстие или отверстия для создания взрывного эффекта, действующего на пласт, окружающий шпур.