Взрывы в земной коре

Для подземных  условий, как правило, применяют  цилиндрические углубления гораздо более скромных масштабов — шпуры, вмещающие по несколько килограммов взрывчатки. От умелого управления взрывом зависит равномерность дробления горных пород.

Дробление скальных горных пород взрывом па карьерах останется основным способом подготовки их к экскавации в течение ближайшего десятилетия. Поэтому первостепенной представляется задача гарантированного по качеству интенсивного взрывного дробления руд, что даст возможность применить конвейерный транспорт, т. е. практически перейти к поточной технологии горных работ.

Степень дробления  влияет и на схему переработки горных пород на обогатительной фабрике. При достаточно мелком измельчении взрывом отпадает необходимость в крупных дробилках, процесс механического дробления можно осуществлять не в три стадии, как обычно, а в две. Все эти факторы предопределяют огромное значение

111

 

интенсификации  взрывного дробления; средства к  тому — внедрение новых ВВ, устройств   и   методов   взрывания.

В последнее  десятилетие дробление значительно  интенсифицировалось, исчезли негабаритные, превышающие размер ковша экскаватора, куски породы. Однако ни на одном карьере не удалось полностью соблюсти регламентацию размерности этих кусков, что позволило бы перейти к поточной технологии. В отдельных случаях, правда, получали пригодную для конвейеров мелкую массу, но естественно, что для внедрения поточной технологии необходимо прежде всего постоянство процесса.

Изучение  состояния пауки о действии взрыва в твердой среде и детальный анализ показателей взрывной отбойки горных пород позволили Л. И. Барону выдвинуть в 1957 г. взрывное дробление как самостоятельную проблему горного дела и предложить основные пути ее разработки: «изучение физических основ процесса дробления, изучение и оценка физико-механических свойств горных пород (объектов взрывания), изучение и оценка ВВ в отношении их дробящего действия, изучение и оценка влияния способов и параметров взрывания на дробящее действие взрыва, изучение методики измерения и оценки кусковатости, а также установление рациональной степени дробления горных пород взрывом для различных условий».

Известно, что одна из основных трудностей при проектировании взрывного дробления — нестабильные свойства взрываемых горных массивов. При этом наибольшие вариации свойств осадочных горных пород прослеживаются в вертикальном направлении: так шло их напластование, образовывался «слоеный пирог» земной коры из раз-нопрочных слоев известняка, мергеля, глины и т. п. Совершенно очевидно, что, имея перед глазами разрез земной толщи высотой 10—15 м, можно с гораздо большей рациональностью расположить заряды ВВ не вертикально, а горизонтально, вдоль однородных слоев породы.

Для перехода па новую технологию взрывных работ потребуется гладкий забой, в котором будут пробурены скважины. Следовательно, отказаться полностью от вертикальных скважин нельзя: они должны быть пробурены по контуру отрываемого взрывом блока и взорваны по методу контурного взрывания — с образованием гладкой поверхности забоя,

112 

Второе, не менее важное назначение контурных скважин — получение достоверной информации о строении и свойствах пород. Система датчиков в скважинах и на поверхности подлежащего «обуриванию» горизонтальными скважинами забоя даст подробную информацию о физических параметрах массива. С помощью электронно-вычислительной техники будет проведен расчет зарядов, нужных для дробления массива до кусков заданной крупности, и рассчитана сетка расположения скважин.

Ясно,   что   для  бурения   потребуются   принципиально иные   агрегаты,   осуществляющие   многомашинное,   программированное  на  оптимальный режим,  бурение,  заложение  зарядов, подготовку к взрыву.  Использование горизонтальных  цилиндрических   зарядов   весомо   повысит КПД взрыва.  Ведь массив практически останется па мосте,  а энергия,  расходуемая в обычных взрывах на бесполезное перемещение горных пород (ухудшающее, кстати, технологию горных работ), полностью «переключится» на дробление. Благодаря рациональной очередности взрывания можно будет получить и гладкую подошву уступа. В  неоднородных  по прочности породах  взрыв  обогащает горную массу в забое за счет лучшей дробимости «слабых» горных пород по сравнению с прочными.  При взрыве слабые включения переходят в мелочь, например до размера куска в  150 мм.  Этот поток отсеивается перед поступлением в первую   (самую крупную)   дробилку фабрики, выпускающую щебень определенной прочности, что значительно снижает затраты на переработку.  Подсчитанный на известняковых карьерах Калужской области коэффициент взрывного обогащения при рационально организованных взрывных работах превышал коэффициент механического обогащения. Отличные условия для внедрения метода имеются и на рудных карьерах цветных металлов.

Особое место взрыва — при добыче нефти и газа, извлечения артезианской воды, взятии проб из скважин на больших глубинах. В глубоких (иногда по нескольку километров) разведочных скважинах он помогает взять образцы горных пород, достичь максимальной отдачи и «приемистости» пластов нефти, сократить сроки бурения, провести опробование и освоение скважин.

Предположим, что нефтяники пробурили разведочную  скважину глубиной 1000 м. Теперь нужно  получить исчер-

113

 

пывающую  информацию о нефтеносности, газоносности, водоносности пластов, их литологическом и минералогическом составе, физических свойствах горных пород. Как взять пробы с различных глубин: 300, 500, 700, 800, 900 и 1000 м? Для этого на кабеле в узкое двухсотмилли> метровое жерло скважины опускается специальный прибор — боковой стреляющий грунтонос. Он снабжен пороховым зарядом. На нужной глубине грунтонос останавливают, по кабелю подают электрический ток к заряду. Взрыв... и грунтонос вонзается в толщу, вбирая в себя образец (керн) породы для испытаний.

В конце XIX в. на нефтяных промыслах России впервые были проведены взрывные работы в скважинах (торпедирование) с целью увеличить нефтеотдачу пластов (в последние годы с помощью взрыва чаще вскрывают водоносные горизонты). При вскрытии нефтяного пласта очень важно создать в пласте трещины, возможно большие по протяженности. В 50-х годах, таким образом, были успешно освоены нагнетательные скважины в Туймазин-ском районе. Взрыв в этих случаях осуществляется торпедой-снарядом длиной до 1,5 м.

В конце 1912 г. на промысле «Чемпион» инженер Г. Невский впервые применил взрывной метод увеличения дебита нефти (для отобранных скважин). Одновременно такие работы были проведены в США. Заряды ВВ весили свыше 50 кг. Первые заряды помещались в оболочку из железа толщиной 2 мм и опускались в скважину на тросе. Благодаря расширению на дне скважины они собирались в кучу и заряд достигал иногда 200 кг и больше.

Значительна роль взрыва при ликвидации аварий в скважинах. На большой глубине буровой инструмент «прихватывает», как говорят специалисты, т. е. па него обваливается порода из стенок скважины, заклинивает долото, бурильная колонна «прикрепляется» к стенке скважины. Устранить такие аварии обычными способами стоит дорого, в некоторых случаях из-за них погибает вся скважина.

Применяется несколько способов взрыва для ликвидации аварий. Можно, например, отвинтить колонну, последовательно ослабляя резьбовые соединения (она кратковременно разгружается от массы расположенных выше труб, и одновременно к колонне прикладывается обрат-

114 

ный вращающий момент) на разных глубинах (сверху вниз). Процесс реализуется путем взрывания торпеды.

При другом способе, взрыв заряда, перекрывающего всю длину зоны прихвата или расположенного над долотом, образует ударную волну. Она вызывает движение материала (образовавшего прихват), в результате чего сцепление с ним инструмента ослабляется. И наконец, можно просто взрывом оборвать трубы в скважине; иногда это единственный способ снасти ее.

В последние  годы взрыв широко используют для  очистки фильтров и фильтровой зоны водяных скважин. Реже он применяется с этой целью и на нефтяных скважинах. Фильтры (с трубчатым или стержневым каркасом) устанавливают для организации нормального (без выноса песка) поступления жидкости в скважину (на нефтяных скважинах чаще пользуются перфорационными отверстиями в трубах). При эксплуатации поверхности фильтров засоряются и зарастают, что резко снижает дебит скважин.

Против засоренного  фильтра устанавливают торпеду. Взрывная волна, проходя через фильтрующую поверхность, раскалывает осадок и сбивает его в затрубное пространство и па забой. Этому способствует и движение жидкости из скважины в затрубное пространство, вызванное расширением взрывных газов и обратное ее движение в ствол скважины при «схлопывании» образовавшегося газового пузыря. Постепенно газовый пузырь угасает, начинает пульсировать с затухающей амплитудой. Но этих пульсаций оказывается достаточно для очистки фильтра. Взрывная очистка фильтров позволила увеличить дебит скважин минимум вдвое, в отдельных случаях он возрастал многократно (например, с 16 до 07 или с 18 до 90 т в сутки).

С. Л. Ловлей разработан метод взрывного восстановления дебитов скважин путем установки внутри старого (не пропускающего жидкости) фильтра нового. изготовленного из прочных материалов. При взрыве заряда, размещенного по центру нового фильтра, ударная волна, пройдя через прочный фильтр, разрушает старый и открывает каналы для движения жидкости из пласта в, сква-жину.

Взрыв давно  применяется в строительстве  благодаря способности переносить и укладывать в заранее рассчи-

115

 

Рис. 5. Схема  развития взрыва на выброс (по М. А. Садовскому и В. II. Родионову)

1 — полость, заполненная газом; 2 — ударная волна; 3 — выбрасываемая раздробленная горная порода; 4 — взрывная полость

танное место одновременно десятки тысяч кубических метров грунта. Такие взрывы, названные направленными, успешно заменили экскаваторы и автосамосвалы при вскрытии месторождений полезных ископаемых, возведении плотин, сооружении каналов, профилировке дорожных трасс в сложнопересечснной местности. В отличие от обычного подземного взрыва, когда свободная поверхность горизонтальна и выброс грунта происходит равномерно относительно оси воронки выброса, при направленном взрыве большая часть грунта выбрасывается перпендикулярно наклонной поверхности (рис. 5).

Как правило, взрыв производится в два приема. Сна-чала взрывают один небольшой заряд. При этом создается новая свободная поверхность, имеющая больший наклон к горизонту, чем первоначальная. Затем взрывают основной заряд, который выбрасывает грунт в желаемом направлении.

Для направленного  взрыва характерен повышенный расход ВВ, превышающий обычный на дробление в 5—6 раз. Определяющим параметром является не только энергия, но и взрывной импульс. В случае геометрически подобных направленных взрывов можно принять, что импульс взрыва подчиняется также простому закону подобия.

К моменту  завершения процесса расширения камуф-летной полости при взрыве химического ВВ в крепких породах энергия продуктов взрыва достигает 25—30% полной энергии взрыва, в слабых породах — 15—20%. При ядерных взрывах в широком диапазоне грунтов величина этой энергии составляет 10—20%.

Мб 

В условиях камуфлетного взрыва радиусы зоны разрушения породы в несколько раз превышают размеры взрывной полости. Если взрыв производится на глубине меньшей, чем радиус центральной зоны разрушения, то разрушения достигают свободной поверхности. Наличие свободной поверхности приводит к асимметрии не только полости, но и зоны разрушения: в области, прилегающей к обнажению, дробление и деформация среды более интенсивны. Это объясняется в основном перемещением грунта в направлении к свободной поверхности.

Зона разрушения в силу движения породы существенно вытягивается в сторону свободной поверхности. Отколовшиеся слои поднимаются вверх по законам баллистики, образуя щели под свободной поверхностью грунта. При взрывах на небольшой глубине отколовшиеся слои грунта могут обладать достаточным запасом кинетической энергии, чтобы вылететь из зоны откольного действия.

Если энергии газообразных продуктов взрыва, заключенных в полости, достаточно, чтобы преодолеть сопротивление разрушенной породы и поднять ее на высоту, соизмеримую с глубиной заложения заряда, то происходит выброс и образуется воронка. Этому способствует смещение грунта, вызванное волной сжатия. Однако во многих случаях, особенно при мягких породах, волна сжатия играет в процессе выброса вспомогательную роль — обеспечивает нарушение связей между частицами массива.

На следующей  стадии развития процесса выброса под  действием давления газообразных продуктов взрыва ускоряется движение грунта, расположенного между полостью и свободной поверхностью. За счет изменения потенциальной энергии сжатых продуктов взрыва изменяется кинетическая энергия выбрасываемого грунта. Условно можно выделить две причины возрастания кинетической энергии грунта. Во-первых, наличие свободной поверхности ограничивает прирост массы грунта, вовлекаемого в движение. Во-вторых, ускоренное движение грунта в направлении к свободной поверхности вызывает асимметричный рост полости. В результате в сторону свободной поверхности продукты взрыва сообщают горной массе большую кинетическую энергию, чем в других направлениях.

Степень возрастания  кинетической энергии выбрасываемого грунта зависит от глубины заложения заряда.

117