способ разрушения массива горных пород и устройство для инициирования взрыва зарядов взрывчатого вещества

Формула изобретения

1. Способ разрушения массива горных пород, включающий бурение взрывных скважин, их заряжание зарядами взрывчатых веществ и взрывание этих зарядов в заданной последовательности, отличающийся тем, что перед заряжанием взрывных скважин подлежащий разрушению массив горных пород подвергают обработке импульсным электромагнитным полем с параметрами, обеспечивающими предварительное разупрочнение массива за счет создания концентрации напряжений на межзерновых границах минералов, инициирование зарядов взрывчатых веществ совмещают с повторной обработкой массива импульсным электромагнитным полем, которое одновременно используют в качестве управляющего сигнала для начала срабатывания устройств для инициирования, а окончательное срабатывание устройств для инициирования осуществляют при достижении пиковых значений электромагнитного поля при соответствующей частоте и напряженности (индукции) поля в зоне соответствующего заряда взрывчатого вещества и при достижении пиковых значений механических напряжений в прилегающем к инициируемому заряду взрывчатых веществ массиве, создаваемых упругими волнами от взрывов соседних зарядов взрывчатых веществ.

2. Способ разрушения массива горных пород по п.1, отличающийся тем, что повторную обработку массива горных пород осуществляют импульсами электромагнитного поля, с изменяющимся направлением вектора магнитной индукции образованного током одного или нескольких диполей, при этом ввод энергии осуществляют кондуктивным или индуктивным способом, при перпендикулярном ориентировании вектора индукции магнитного поля и распространения механической волны напряжения.

3. Способ разрушения массива горных пород по п.1 или 2, отличающийся тем, что начало срабатывания устройства для инициирования в каждом заряде взрывчатых веществ обеспечивают встроенным в соответствующее средство инициирования микропроцессором, реагирующим на импульс электромагнитного поля повторной обработки, а окончательное срабатывание обеспечивают тем же микропроцессором по сигналам соответствующих датчиков: акустических, пьезокерамических или другого типа.

4. Способ разрушения массива горных пород по п.1, отличающийся тем, что генерацию импульсов электромагнитного поля осуществляют с задержкой по времени, величину которой определяют по следующей зависимости

,

где - время упругого механического воздействия на массив взрывов зарядов взрывчатых веществ,

Е - напряженность воздействующего на массив электрического поля.

5. Устройство для инициирования взрыва зарядов взрывчатых веществ, содержащее промежуточный детонатор с гнездом и электродетонатор с изолированными проводниками, закрепленный в указанном гнезде, отличающееся тем, что оно снабжено антенной для приема импульсов электромагнитного поля, блоком автономного питания и системой управления, содержащей блок приема сигнала электромагнитного поля, блок контроля уровня напряженного состояния массива горных пород, вход которого соединен с соответствующим датчиком, микропроцессорный контроллер времени замедления срабатывания электродетонатор, исполнительный блок, обеспечивающий воспламенение электродетонатора путем подачи электрического питания на мостик накаливания последнего, и диэлектрический корпус, в котором размещены все элементы устройства, при этом антенна электрически соединена с входом блока приема сигнала электромагнитного поля, выходы блоков приема сигнала электромагнитного поля и контроля уровня напряженного состояния массива горных пород параллельно соединены с входом микропроцессорного контроллера, один из выходов которого непосредственно соединен с изолированными проводниками электродетонатора, а второй - соединен с изолированными проводниками электродетонатора через последовательно подключенный исполнительный блок.

6. Устройство для инициирования по п.5, отличающееся тем, что антенна для приема импульсов электромагнитного поля представляет собой сердечник, имеющий крестообразную или тороидальную форму, и выполнена из ферромагнитного, магниторезистивного или другого материала, меняющего свои свойства при импульсных магнитных воздействиях, а изолированные проводники электродетонатора соединены между собой и намотаны на сердечник антенны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам взрывного разрушения массива горных пород, которые в последующем подлежат дальнейшей переработке, дроблению, измельчению и обогащению, а также к устройствам для инициирования взрыва зарядов взрывчатого вещества (ВВ).

Известен способ разрушения массива горных пород (прототип), включающий бурение взрывных скважин, их заряжание зарядами ВВ, коммутацию взрывной сети, например из детонирующего шнура, взрывание этих зарядов в заданной последовательности [1].

Недостатком прототипа является низкая эффективность управления качеством разрушения массива горных пород, невысокие показатели использования энергии взрыва, показателей взрывной рудоподготовки, показателей обогатительного передела (энергозатрат на дробление и измельчение, не достаточно высокие показатели выхода полезных компонентов в концентрат и т.д.).

В качестве устройства для инициирования взрыва зарядов ВВ используют промежуточные детонаторы (шашки Т-400Г), соединенные с взрывной сетью детонирующим шнуром [1].

Устройство для инициирования содержит промежуточный детонатор с гнездом и электродетонатор с изолированными проводниками, закрепленными в указанном гнезде.

Сеть ДШ для большей надежности вынуждены дублировать. Монтаж сети трудоемок, требует особой осторожности и тщательности, несмотря на обязательный визуальный контроль, не исключается вероятность отказов. При достаточно высокой стоимости (10-15 руб./м) за один массовый взрыв на карьере расходуется десятки километров ДШ.

Технической задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является повышение эффективности разрушения и степени управления ослаблением (диспергацией) массива горных пород за счет увеличения коэффициента полезного использования энергии при совмещении операций предварительного ослабления массива горных пород с его обработкой импульсным электромагнитным полем. Такое выполнение предварительного ослабления массива (дезинтеграции) обеспечивает повышение скорости бурения при подготовке взрывных скважин, степени дробления материала за счет одновременного воздействия на него механической нагрузки и локализации генерируемой электромагнитной энергии в разрушаемом объеме, преобразования ее в дополнительные механические напряжения. При этом используются для повышения концентрации напряжений на границах разнородных минеральных зерен и их раскрытия в последующих процессах обработки, возникающие магнитоэлектрические, термомагнитоупругие, пьезоэффект, сейсмоэлектрический и других эффекты. Таким образом, поскольку электромагнитная энергия локализуется в массиве твердого ненарушенного материала, то повышается коэффициент ее полезного использования. В связи с этим происходит более интенсивное предварительное ослабление (дезинтеграция) горных пород, и на этап окончательного механического измельчения поступает материал, обладающий более высокой степенью дезинтеграции, чем в способе по прототипу, что обеспечивает снижение энергетических затрат на окончательное измельчение и повышение степени диспергации. Кроме того, происходит значительное сокращение энергозатрат на создание и поддержание импульсного электромагнитного поля, поскольку генератор поля работает только в момент предварительной дезинтеграции.

Кроме этого задачей изобретения является: повышение безопасности производства массовых взрывов, снижение трудозатрат за счет исключения монтажа взрывной сети, повышение показателей взрывной рудоподготовки за счет точности выбора момента инициирования зарядов ВВ при достижения максимальных значений амплитуд ЭМП импульса и амплитуды упругих волн от взрыва смежных зарядов ВВ в момент достижения их максимальных значений, которые контролируются встроенным в устройство микропроцессором и с помощью соответствующих датчиков. Поставленная задача достигается тем, что в массиве горных пород предусматривается бурение взрывных скважин, их заряжание зарядами ВВ и взрывание этих зарядов в заданной последовательности. Перед заряжанием взрывных скважин подлежащий разрушению массив горных пород подвергают обработке импульсным электромагнитным полем с параметрами, обеспечивающими предварительное разупрочнение массива за счет создания концентрации напряжений на межзерновых границах минералов, инициирование зарядов взрывчатых веществ совмещают с повторной обработкой массива импульсным электромагнитным полем, которое одновременно используют в качестве управляющего сигнала для начала срабатывания устройств для инициирования, а окончательное срабатывание устройств для инициирования осуществляют при достижении пиковых значений электромагнитного поля при соответствующей частоте и напряженности (индукции) поля в зоне соответствующего заряда взрывчатого вещества и при достижении пиковых значений механических напряжений в прилегающем к инициируемому заряду взрывчатых веществ массиве, создаваемых упругими волнами от взрывов соседних зарядов взрывчатых веществ. Повторную обработку массива горных пород осуществляют импульсами электромагнитного поля, образованного током одного или нескольких диполей, при этом ввод энергии осуществляют кондуктивным или индуктивным способами. Начало срабатывания устройства для инициирования в каждом заряде взрывчатых веществ обеспечивают встроенным в соответствующее средство инициирования микрочипом-процессором, реагирующим на импульс электромагнитного поля повторной обработки, а окончательное срабатывание обеспечивают тем же микропроцессором по сигналам соответствующих датчиков: акустических, пьезокерамических или другого типа. Генерацию импульсов электромагнитного поля осуществляют с задержкой по времени, величину которой определяют по следующей зависимости , где - время упругого механического воздействия на массив взрывов зарядов взрывчатых веществ, Е - напряженность воздействующего на массив электромагнитного поля.

Устройство для инициирования взрыва зарядов взрывчатых веществ, содержащее промежуточный детонатор с гнездом и электродетонатор с изолированными проводниками, закрепленный в указанном гнезде, снабжено антенной для приема импульсов электромагнитного поля, блоком автономного питания и системой управления, содержащей блок приема сигнала электромагнитного поля, блок контроля уровня напряженного состояния массива горных пород, вход которого соединен с соответствующим датчиком, микропроцессорный контроллер времени замедления срабатывания электродетонатора, исполнительный блок, обеспечивающий воспламенение электродетонатора путем подачи электрического питания на мостик накаливания последнего, и диэлектрический корпус, в котором размещены все элементы устройства, при этом антенна электрически соединена с входом блока приема сигнала электромагнитного поля, выходы блоков приема сигнала электромагнитного поля и контроля уровня напряженного состояния массива горных пород параллельно соединены с входом микропроцессорного контроллера, один из выходов которого непосредственно соединен с изолированными проводниками электродетонатора, а второй - соединен с изолированными проводниками электродетонатора через последовательно подключенный исполнительный блок. Антенна для приема импульсов электромагнитного поля представляет собой сердечник, имеющий крестообразную или тороидальную форму, и выполнена из ферромагнитного, магниторезистивного или другого материала, меняющего свои свойства при импульсных магнитных воздействиях, а изолированные проводники электродетонатора соединены между собой и намотаны на сердечник антенны.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами, на которых представлены:

Фиг.1 - схема взаимодействия электромагнитных сил в пьезоэлектрической текстурированной анизотропной среде (обозначения: О - ось анизотропии, Р - вектор распространения продольной упругой волны, Е - вектор электромагнитного импульса, r₀ - размер трещины с радиусом r₀);

Фиг.2. - схема протекания процесса деструкции материала (породы)в условиях сложнонапряженного состояния;

Фиг.3. - схема локализации облака диполей в вершине трещины под действием механического напряжения (стрелками показаны растягивающие напряжения).

Фиг.4. - схема возникновения совместных напряжений от упругих и электромагнитных волновых воздействий (обозначения: _р - растягивающие напряжения; _у - напряжения от упругих волн; _E - напряжения от электромагнитного воздействия);

На фиг.5. - устройство для инициирования зарядов ВВ, где 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - промежуточный детонатор, 4 - гнездо, 5 - электродетонатор, 6-7 - витки изолированного проводника, 9 - антенна-крестовина или тороидальный сердечник, 10-11 - уплотнители, 12 - микрочип-контроллер;

на фиг.6. - схема исполнительного блока устройства для инициирования зарядов ВВ: 13 - блок автономного питания, 14 - блок исполнительный, 15 - блок приема уровня сигнала ЭМП, 16 - блок приема сигнала уровня напряженного состояния массива, 17 - контроллер, 5 - электродетонатор.

На массив, обладающий ферромагнитными свойствами, осуществляют импульсное (цикличное) воздействие с изменением направления вектора индукции магнитного поля.

При этом в объеме материала, подвергнутом процессу перемагничивания, возникают магнитоэлектрические (пъезомагнитострикционные), термомагнитоупругие и другие эффекты вследствие изменения магнитного состояния внутренней магнитной энергии с выделением тепла и преобразованием в механические напряжения по границам разнородных минералов. В случае, если твердый материал представлен железистыми кварцитами, сущность ослабления межзерновых связей в них при воздействии динамических волновых воздействий заключается в следующем.

На ферромагнитную частицу, помещенную в импульсное электромагнитное поле высокой интенсивности, действуют силы, обусловленные, с одной стороны, величиной индукции В, и, с другой стороны, - силы, обусловленные неоднородностью поля, определяемые главным образом градиентом напряженности магнитного поля grad Н.

Основные силы, действующие на частицу, следующие: магнитная сила, обусловленная притяжением частицы магнитным полем; сила, обусловленная магнитострикцией ферромагнетика; пондеромоторная сила, обусловленная взаимодействием токов, образующихся в слоях ферромагнитных частиц и др.

При напряженности поля порядка 10⁷ А/м, градиенте напряженности 10 ⁸ А/м, например, длительности импульса 10 ^-2-10^-8 с напряжения, возникающие вследствие магнитострикции магнетита, достигают 4 МПа. Напряжения, возникающие за счет пондеромоторной силы, достигают 50 МПа. Известно, что прочность на разрыв железистых кварцитов составляет порядка 18 МПа. Железистые кварциты при воздействии только импульсного электромагнитного поля не испытывают достаточных растягивающих напряжений _Е для образования сети микротрещин по границам зерен (фиг.4). Но это происходит при совместном _p воздействии растягивающих напряжений _E и растягивающих напряжений _у, возникающих при прохождении волны напряжения от взрыва обычных скважинных зарядов уже при напряжении во фронте волны порядка 5-10 МПа на расстояниях 5-6 радиусов заряда ВВ. При напряжении во фронте волны 10⁶ -10⁸ МПа от взрыва специальных крупномасштабных зарядов зона ослабления по границам зерен несравнимо больше.

Рассмотрим в качестве примера массив железистых кварцитов.

Механизм формирования железистых кварцитов в условиях динамометаморфизма, т.е. под действием ориентированных давлений и температур, сопряжен с образованием пространственно ориентированных текстур. Высокий пьезоэлектрический, магнитострикционный, магнитоэлектрический и другие эффекты, реализующиеся в кварцитах, обусловлены закономерной ориентацией и чередованием упруго-анизотропных зерен кварца и зерен магнетита в пространстве.

Рассмотрим механизм деформирования и разрушения кварцитов в предположении, что кварциты обладают пьезоэлектрической текстурой самого низшего ранга (т.е. имеют ось симметрии бесконечного порядка и перпендикулярную к ней плоскость симметрии, с зеркально отраженной пространственной ориентацией зерен кварца) - см. фиг.1-4. На фиг.1 представлен фрагмент такой структуры. Рассмотрим межкристаллическую изотропно-упругую среду, содержащую зерна магнетита. Модель предполагает наличие в ней микротрещин, как зародышей микротрещиноватости, способствующей «раскрытию» зерен магнетита, т.е. под воздействием упругих и электромагнитных волн возникает микротрещиноватость в среде (связующей зерна кварца, обладающие пьезоэлектрическими свойствами). Условие взаимодействия импульса электромагнитного поля Е с упругим импульсом (в том числе импульса взрывной ударной волны) представляется в виде т.е. эффект воздействия электромагнитного импульса происходит в течение отрезка времени упругого механического воздействия на среду (т.е. технологически предполагается некоторая временная задержка генерации импульса электромагнитного поля). Это условие дает возможность рассматривать суммарный эффект воздействия упругого и электромагнитных полей на процесс деструкции межкристаллической среды, т.е. «межкварцевого заполнителя».

Допустим, что вектор распространения продольной волны Р нормален к вектору импульса электрического поля Е , как это показано на фиг.1. Рассматриваем элемент объема межкристаллического заполнителя с сечением АВСД и внутренним дефектом в виде зародышевой микротрещины.

Как известно, размер трещины с размером ro определяется закачанной в выделенный элемент объема энергии E= × ×r₀ ²,

где - энергия образования единицы свободной поверхности. В феноменологическом приближении задача сводится к расчету энергии, закачиваемой в элемент объема непосредственно упругой и электромагнитной волнами и трансформируемой в упругую за счет механоэлектрических, магнитоэлектрических (магнитострикционных, в том числе «гигантский магнитострикционный эффект»), термомагнитоупругих преобразований в среде. Тогда

В первом приближении без учета влияния температуры возможный размер микротрещины можно определить следующим образом

где - энергия электромагнитного поля, трансформируемая в упругую энергию в элементе объема.

Для кристалла кварца (для кристалла магнетита в кварцевой матрице производится отдельная оценка), возбужденного внешним электромагнитным импульсом, соотношение между энергией внешнего электрического поля и энергией упругого деформирования определяется коэффициентом электромеханической связи

что соответствует максимальной величине для кристалла SiO₂.

В последней формуле: (d ₁₁) - пьезоэлектрический модуль, С₆₆ - упругая постоянная, - диэлектрическая проницаемость [1].

Анализ электромагнитного взаимодействия в вершине микротрещины выглядит следующим образом. Выделяют зону концентрации механических напряжений (один из вариантов концентрации напряжений в результате возникновения заряженных поверхностей субмикротрещин). Дипольное взаимодействие расходящихся берегов субмикротрещин с внешним электромагнитным импульсом может приводить к электрическому ослаблению «электростатического» взаимодействия растущих субмикротрещин. Эту величину можно оценить как

где - диэлектрическая проницаемость среды (при оценке возникающих напряжений при напряженности магнитного поля Н соответственно берется величина магнитной проницаемости );

Е_B - напряженность внешнего электромагнитного импульса;

E_T - напряженность электростатического поля на берегах субмикротрещин (Н_в учитывается при оценке магнитоэлектрических эффектов).

Условие распространения субмикротрещин записывается в виде

Эксперименты по изучению электромагнитного поля при разрушении образцов горных пород под прессом дают значение порядка 10^3-4 В/см. При диэлектрической проницаемости горных пород =8-10 условие разрушения следует записать в виде

E_B 10⁵ В/см.

Условие справедливо также и при корректировке расчетов напряжений, возникающих при магнитоэлектрических эффектах (магнитострикционных, магнитотермоупругих и др.).

Процесс деструкции горных пород как поликристаллических систем (особенно при массовых взрывах зарядов ВВ) сопровождается генерацией электромагнитных импульсов, возникающих при деструкции кристаллических решеток породообразующих минералов. При наложении внешнего электромагнитного импульса с вектором напряженности, противоположным вектору электростатического поля, внутри субмикротрещин возникает дополнительное усилие электростатического взаимодействия, которое суммируется с магнитоэлектрическим. Эти взаимодействия способствуют более интенсивному росту субмикротрещин в поликристаллической среде (см. фиг.1).

Способ осуществляется путем последовательного выполнения следующих операций.

Массив горных пород, подлежащий разрушению (диспергированию), подвергают импульсному воздействию электромагнитного поля с изменяющимся направлением вектора магнитной индукции (напряженность поля порядка 10⁷ А/м, градиент напряженности 10⁸ А/м, длительность импульса 10^-3-10^-8 с. После ослабления массива производят бурение скважин по заданной сетке, например станками шарошечного бурения СБШ-250МН.

Скорость бурения по данным предварительных испытаний выше в 1,5-2 раза по сравнению с обычной технологией без воздействия на массив ЭМП, где частота тока диполя составляла порядка 0,5 МГц. Амплитуда поля 10⁴-10⁶ А/м. Затем производят заряжание скважин зарядами ВВ. При этом в каждом заряде ВВ размещают устройство для инициирования взрыва, после чего осуществляют забойку скважин. На подготовленный таким образом массив накладывают индукционным или кондукционным методом электромагнитное поле. При наложении поля происходит концентрация напряжений на межзерновых границах минералов слагающих породы этого массива за счет протекания сопутствующих эффектов: магнитострикционного; скин-эффекта; пондеромоторных сил и др. Одновременно в устройстве для инициирования взрыва наводится ЭДС, что вызывает взрыв зарядов ВВ через промежуток времени, заданный микропроцессором (встроенный в устройство микрочип-контролллер).

Устройство инициирования взрыва зарядов включает корпус 1 из диэлектрического материала (например, пластика) со съемной крышкой - 2. В корпусе 1 размещен промежуточный детонатор 3 (например, тротиловая шашка) с гнездом 4, в которое вставлен электродетонатор 5 с изолированными проводниками 6-7. Эти проводники электрически соединены друг с другом по меньшей мере в один виток 8. Предпочтительно корпус 1 снабдить крестовиной 9 из ферромагнитного материала (феррита), а витки 8 проводников 6 и 7 наматывать на эту крестовину. Крестовина 9 может быть установлена в пазах 10 корпуса и зафиксирована закладным кольцом 11. Возможно вместо крестовины 9 использовать кольцо (кольца) также из ферромагнитного материала. Внутри корпуса размещен микрочип - контролер времени срабатывания промежуточного детонатора, срабатывает в зависимости от времени прихода упругих волн напряжения и ЭМП соответствующих параметров. Снабжение устройства для инициирования взрыва зарядов ВВ корпусом из диэлектрического материала позволяет электромагнитному полю беспрепятственно проникать внутрь этого корпуса, а при соединении изолированных проводников в витки в них наводится ЭДС. Возникающий ток вызывает воспламенение электровоспламенителя (через время замедления, заданное встроенным микропроцессором), электродетонатор взрывается, инициируя при этом взрыв предлагаемого промежуточного детонатора. Ферромагнитная крестовина способствует концентрации электромагнитного поля и уменьшает влияние пространственного положения витков на величину ЭДС, увеличивая чувствительность устройства.

Устройство работает следующим образом. На складе ВМ электродетонатор 5 с крестовинами 9 хранят отдельно от корпусов 1 с промежуточными детонаторами 3. Их монтаж осуществляют только на взрываемом блоке непосредственно перед заряжанием скважин. При наложении на массив электромагнитного поля в витках 8 наводится ЭДС, в них начинает протекать ток, который производит воспламенение электровоспламенителя (на чертеже не показан) и взрыв электродетонатора 5. Последний взрывается через заданный промежуток времени, приуроченный к началу момента прихода максимальных значений упругой волны напряжения и максимальной амплитуды ЭМП, и в заданный момент времени производит инициирование промежуточного детонатора 3 и основного заряда ВВ.

Таким образом, имеет место строго синхронизированное взаимодействие электромагнитного поля и упругих волн напряжений от взрыва зарядов ВВ. Наличие крестовины 9 исключает влияние пространственного положения витков 8 на величину ЭДС, т.к. в этом случае при любом ориентировании устройства внутри заряда вектор напряженности поля будет направлен через витки.

При взрывании массивов со слоистой текстурой вектор электромагнитного поля направляют вдоль простирания слоев (вдоль оси анизотропии массива).

Пример осуществления (для условий Лебединского ГОКа).

Разрабатываемые породы - железистые кварциты

коэффициент крепости по шкале проф. Протодьяконова М.И	- 12-18
Сетка скважин	6×6
Диаметр скважин	0,245 м
Высота уступа	15 м
Перебур	3 м
Сопротивление по подошве	9 м
Удельный расход ВВ (гранулотол, граммонит 79/21)	1 кг/м3
Длина колонки заряда	12 м
Вес заряда ВВ	540 кг

Генератор электромагнитного поля с 0 электрическим дипольным моментом 4·10⁶ Кл·м (магнитным дипольным моментом 4·10¹⁰A·м ²), что обеспечивает потребный гарантийный ток для срабатывания ЭДКЗ не менее 4,5 А. Время воздействия электромагнитного поля на массив определяется по формуле

где ₁ - время срабатывания ЭД в первой диагонали мс;

- интервал замедления между диагоналями мс.

При взрывании на блоке 60 скважинных зарядов ВВ (4 ряда по 15 скважин)

t_в= ₁+ (n-1)+ =150+25(15-1)+200=700 мс

По сравнению с основным изобретением предложенные способ и устройство обладают следующими преимуществами:

- полностью исключается монтаж взрывной сети, что повышает безопасность и снижает трудоемкость и затраты на взрывание;

- обеспечивается строгая синхронизация взрывания зарядов и возникающих при этом упругих динамических волновых воздействий и воздействия ЭМП на рудный массив, что способствует повышению эффективности последующих процессов рудоподготовки и дальнейшего передела за счет получения существенного дополнительного эффекта по разупрочнению межзерновых связей минеральных зерен.

Источники информации

1. Б.Н.Кутузов. Взрывное и механическое разрушение горных пород. М., 1973 с.98, рис.39.