Термическое расширение взрывных скважин на карьерах

МОСКОВСКИЙ 
ГОQ' ААРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

PWIUIIOBIIЬIЙ 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 

московского 

С О В Е Т 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 
~ 

Председатель 

Л.А. ПУЧКОВ 
рек~пор мг~ 

чл.-корр. РАН 

Зам. председателя 

л.х.гнтнс 
директор 

Издательства МГГУ 

Члены редсовета 

И.В. ДЕМЕНТЬЕВ 
академик РАЕН 

А.П. ДМИТРИЕВ 
академик РАЕН 

Б.А. КАРТОЗНЯ 
академик РАЕН 

В.В. КУРЕХИН 
академик РАЕН 

М.В. КУРЛЕНЯ 
академик РАН 

В.И. ОСИПОВ 
академик РАН 

э.м. соколов 
академик МАНВШ 

К.Н. ТРУБЕЦКОЙ 
академик РАН 

В.В.ХРОНИН 
профессор 

В.А. ЧАНТУРИН 
академик РАН 

Е.И. ШЕМЯКИН 
академик РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОRРАЗОВАНИЕ 

С.А. ГОНЧАРОВ 

ТЕРМИЧЕСКОЕ 

РАСШИРЕНИЕ 
ВЗРЫВНЫХ 

СКВАЖИН 

НА КАРЬЕРАХ 

Допущено Учебно-методическим объедwrением вузов Российский ФедераtрШ по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для 

студептов вузов, обучающwсся по специальности 

«Физические процессы горного производе т 
га» направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело» 

МОСКВА 

И.ЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО 

ГОСУДАРСТВЕННОГОГОРНОГО 

УНИВЕРСИТЕТА 

2 о о 2 

у 
дк 622.236.3 

ББК 33.1 

Г65 

Peцeнзellltllll: 
• 
Проф. докт. техн. наук В.А. Симаков (кафедра разработки 

месторождений цветных, редких и радиоактивных металлов Московской государственной геологоразведочной академии) 
• 
Российская академия естественных наук (вице-презедент, проф., 

докт. техн. наук В.Ж. Арене). 

Гончаров С.А. 

Г 65 
Термическое расширение взрывных скважин на карьерах: 

Учеб. пособие. М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2002. 89 с. 

ISBN 5-7418-0196-Х 

Приведены сведения о механизме термического разрушения горных по· 

род при расширении взрывных скважин; представлен метод прогнозирова· 

ния и расчета параметров термического расширенИJI скважин в завнеимости 

от свойств пород и режимов работы горепок-терморасширителей; приведено 

описание их конструкции; предстаалены сведения по технике и технологии 

термического расширения взрывных скважин на карьерах. 

ISBN 5-7418-0196-Х 

УДК 622.236.3 

ББК 33.1 

© С.А. Гончаров, 2002 
© Издательство МГГУ, 2002 

ВВЕДЕНИЕ 

Применяемые на карьерах станки механического бурения 

позволяют получать скважины одинакового диаметра по всей 

их высоте и создавать зарядные полости в виде цилиндров. У 

скважин, пробуреиных такими станками, диаметр устья скважины и диаметр зарядной полости одинаковы. При такой ситуации с увеличением диаметра скважин уменьшается коэффициент полезного действия взрыва. В начале восьмидесятых годов некоторые фирмы горного машиностроения США, не имея 

четкого представления о механизме процесса взрывного разрушения скальных пород на карьерах, начали изготавливать и 

предлагать горным предприятиям шарошечные станки для 

бурения на карьерах скважин большого диаметра, вплоть до 
460 мм. К сожалению, в восьмидесятые девяностые годы 

прошлого столетия, некоторые наши ученые совместно с отечественными машиностроителями, поддавшись рекламе американских фирм, также начали пропагандировать целесообразность применения таких станков, а затем и изготовлять их. Чем 

все это закончилось известно: все отечественные станки после 

мучительных испытаний и очень короткого времени эксплуатации пошли на металлолом. Из американских станков такого 

типа во всем мире в настоящее время работают единицы. Значительно более перспективной является комбинированная технология обуривания уступов на карьерах: бурение пневмоударными или гидраударными станками скважин малого диаметра 

по расширенной сетке и последующее их термическое расширение огневыми станками. При этом следует отметить, что с помощью огневых станков можно создавать зарядные полости 

различной конфигурации по высоте скважины. 

Применеине комбинированной технологии обуривания уступов на карьерах позволяет с помощью станков для термического расширения скважин создавать расширенную котловую 

полость в нижней заряжаемой части скважины или несколько 

котловых полостей по высоте скважины. При этом диаметр 

котловых расширенных полостей в 2,~3 раза может быть 

5 

пионерного диаметра скважины. При таких формах зарядных 

полостей создается эффект запирания устья скважины (при однокотловой зарядной полости), а при многокотловой зарядной 

полости дополнительно к этому эффекту прибавляется еще эффект запирания каждой зарядной полости. Все это способствует 

увеличению коэффициента полезного действия взрыва. 

Глава 1 

ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ КОТЛОВЫХ 
ПОЛОСТЕЙ В СКВАЖИНЕ И ИХ ПАРАМЕТРЫ 

Технология термического расширения пионерных скважин 

предусматривает формирование котловых зарядных полостей 

при движении горелки-терморасширителя снизу вверх с различной скоростью в зависимости от требуемого диаметра заряда на 

данной высоте уступа карьера. При этом часть продуктов термического разрушения горных пород удаляется из скважины, а 

часть оседает на ее дно. Между осевшими на дно скважины продуктами термического разрушения породы и срезом сопла горелки-терморасширителя формируется застойная газовая зона 

высотой Нз, а в верхней части -турбулентная газовая зона высотой Нт. (рис. 1.1). 

Термодинамические параметры турбулентной зоны и ее высота определяются конструкцией горелки и ее мощностью. Как 

показали экспериментальные исследования, проведеиные в производственных условиях, именно в турбулентной зоне происходит термическое хрупкое разрушение породы на внутренней конусной части поверхности скважины, дли
на образующей которой равна Lт (см. 

рис. 1.1) и которая образует угол у с вертикалью. 

Верхняя гран~ца конусной части внутренней поверхности расширяемой части 
2 

скважины ограничена уровнем сброса воды, предназначенной для пылеподавления 

продуктов термического разрушения поро
Рис. 1.1. Геомеч>ическая модель nроцесса формирования котловых nолостей nри термическом расширении скважин: 
"1
1 1·орелка-тсрморасширителъ: 2 высокотемпературная струя горелки; 3 О11Jаженная газовая С11Jуя; 4 
продукты термического разрушения породы, осевшие в 

скnажнне 

1 
1 _,_ 

д. 

7 

ды, а нижняя граница ограничена уровнем, где параметры газовой сrруи уже не обеспечивают условия термического удара необходимого для хрупкого разрушения породы, и где осуществляется сравнительно медленный прогрев поверхности скважины. 

При заданном пионерном диаметре скважин Дс1и горелкойтермарасширителем с расходом горючего G1, формируется постоянная по высоте турбулентная зона Нп. С увеличением скорости подъема горелки vn, при расширении скважины заданного диаметра, уменьшается диаметр котловой полости и в соответствии с этим уменьшается угол у, а высота турбулентной зоны Нп остается постоянной. При увеличении пионерного диаметра скважины до некоторого значения Дс2 применяют более 

мощную горелку с большим расходом горючего G2• При этом 

высота турбулентной зоны Нп увеличивается по сравнению с 

Нп, но остается постоянной для заданных Дс2 и G2 и не зависит 

от скорости подъема горелки. Как и в первом случае, при увеличении скорости подъема горелки в процессе формирования 

котловой полости уменьшается ее диаметр и соответствующим 

1 

образом уменьшается угол у, т. к. tg у= 2 (д к- де )1 Н 
т. 

Таким образом, у есть функция от скорости подъема горелки vn. 

При полном сгорании дизельного топлива в камере сгорания горелки-термарасширителя температура газов в турбулентной зоне, где происходит хрупкое термическое разрушение 

породы, есть величина постоянная и согласно замерам равна 

примерно 1400 ос. 

Коэффициент теплоотдачи в зоне разрушения породы при 

расширении скважины зависит от скорости газовой сrруи в этой 

зоне, а эта скорость зависит от угла у или, в конечном итоге, от 

скороt:ти подъема горелки. 

Таким образом, с увеличением скорости подъема горелки 

уменьшается угол у и соответствующим образом увеличивается 

коэффициент теплоотдачи и наоборот. 

Объемную скорость V0 хрупкого термического разрушения 

породы в скважине по высоте усеченного конуса (см. рис. 1.1) 

котловой полости можно определить по формуле: 

R 

(1.1) 

где vл -линейная скорость хрупкого термического разрушения 

породы; 

v = аа(~-1). 

л 
А. 
т 
' 
р 
(1.2) 

d S- элементарная поверхность образующей усеченного конуса, 

dS= 2пRdL, 
(1.3) 

где R- текущий радиус котловой полости, м; а- коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к породе, Дж 1 м2 · с· К; а 
температуропроводность породы, м2/ с; Л- теплопроводность 

породы, Дж/м·с·К; Л./ а= ер; с-удельная теплоемкость породы, Дж/кг· К; р-плотность породы, кг/мз; О-температура 

теплоносителя, ос; Тр температура поверхности породы в 

момент ее хрупкого разрушения, 

0С. 

Величина Тр определяется свойствами породы и равна 

тр = 2crc:~-J.L) 
(1.4) 

г де crc- предел прочности породы на одноосное сжатие, Па; JJ.
коэффициент Пуассона породы; 13 коэффициент теплового 

расширения породы, 1/
0С; Е- модуль упругости породы, Па. 

Согласно рис. 1.1 

где к= 1/siny. 

dR 
dLт =-.-=кdR, 

sшу 
(1.5) 

Угол у можно определить по рис. 1.1 и пользуясь результатами экспериментальных замеров величин Rк, Rc Нт: 

У= arctg ( Rк;;тRс), 
(1.6) 

г де Rк и Rc радиус котловой полости и радиус пионерной 

скважины соответственно, м. 

9 

Подставляя (1.5) в (1.3), а результат в (1.1) nолучим: 

(1. 7) 

или 
(1.8) 

Для расчета nараметров nроцесса термического расширения скважин необходимо и достаточно иметь эксnериментальные nараметры, входящие в выражение (1.8), хотя бы ДJIЯ одного тиnа nороды (назовем эту nороду условно базовой). 

У 
словно базовой nородой nриняты граниты карьера «Колумбия» (nровинция Квебек, Канада), где автором nроведены 

детальные эксnериментальные исследования nроцесса термического расширения скважин с различным nионерным диаметром 

и соответствующими им горелками с различным расходом горючего. Это обстоятельство nозволяет проверить nреДJiоженную 

ниже методику расчета nараметров термического расширения 

скважин, nользуясь фактическими результатами замера nараметров термического расширения скважин на карьере «Колумбия». 

На основании оnределения свойств nород, выnолненных в 

МГГУ 
ДJIЯ гранитов карьера «Колумбия», и на основании эксnериментальных работ по термическому расширению скважин 

на этом же карьере с nионерным диаметром Де = = О, 114 м и скоростью nодъема горелки Vn = 8 м/ч (2,222·10-з м/с) nри расходе 

горючего G = 31,5 кг/ч (8,75 · 1 о··з кг 1 с) было установлено еле
дующее: 

у= 3,3 °С, 
к= 17,36, 

е= 1400 °С, 
Ос= 0,76-JOB Па, 

р = 2,75-lo-s I?C, 
Е= 2,41· JOtO Па, 

дк= 0,243 м. 
Vo = 8,03- ю-s мJfc, 

Ср = 4,545 · )()6 ДЖ/ (мЗ 

0С), 

1.1 = 0,2, 

ТР = 183 ос. 

Объемная скорость хруnкого термического разрушения ( Vo) 

оnределялась на основании феноменологической формулы по 

результатам эксnериментальных замеров 

(1.9) 

1 ')