Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Currently, in open-pit mining, a unique and practically the only one highly efficient way to prepare rocks for excavation is to destroy them with explosive energy. However, during drilling and blasting operations, there appears a problem of anticipating the firing of borehole charges. This problem leads to a violation of the sequence of firing charges, which negatively affects the efficiency of blasting, environmental and seismic safety and worsens the development of the array, leading to an increase in the yield of oversized materials, thereby avoiding financial losses of production. The article analyses the facts of anticipatory firing of borehole charges when using emulsion intermediate detonators in the design of an emulsion explosive charge during the preparation of rock mass for excavation by the drilling and blasting method, as well as the primary factors influencing the anticipatory firing of borehole charges and methods for eliminating this problem during the preparation of rock mass for excavation by the drilling and blasting method. By the analysis of the facts of anticipatory firing of borehole charges, the authors have proposed measures to prevent the effects of an explosive wave on emulsion militants and their premature firing. These works were carried out in the quarries and sections of the Far East. When conducting experimental explosions using the developed constructions and measures, the accelerated video fixation of explosions has not detected any signs of anticipatory firing of borehole charges.
coal mine, quarry, emulsion intermediate detonator, pre-firing charges, explosion, blast wave
Введение
Внедрение усовершенствований в буровзрывные работы, несмотря на их явные технологические выгоды, влечет за собой ряд существенных отрицательных аспектов [1, 2].
Одной из ключевых проблем в технологии буровзрывных работ остается нарушение очередности срабатывания скважинных зарядов. При этом основной причиной считается отклонение фактического времени срабатывания неэлектрических систем инициирования от номинальных значений [3, 4]. Однако исследования [5–10] демонстрируют, что на очередность срабатывания скважинных зарядов могут существенно повлиять также другие факторы, а именно: воздействие волн напряжений от соседних скважинных зарядов (деформируют среду изменяя условия инициирования); наличие водоносных горизонтов (вызывают гидравлические удары, кавитацию). Указанные факторы в большей степени относятся к эмульсионным взрывчатым веществам (ЭВВ), так как, согласно исследованиям [11–14], ЭВВ проявляют повышенную чувствительность ко внешним механическим воздействиям по сравнению с простейшими взрывчатыми веществами, что обусловлено особенностями их физикохимической структуры.
Все перечисленные факторы могут приводить к нарушению заданной последовательности инициирования скважинных зарядов, что, в свою очередь, обуславливает снижение эффективности дробления горной массы, увеличение разлета осколков взорванной горной массы и усиление сейсмического воздействия на окружающие объекты [15–19].
В процессе анализа литературных источников и результатов наблюдений массовых взрывов на угольных разрезах Хабаровского края были выявлены факты существенных нарушений последовательности срабатывания скважинных зарядов и предложены мероприятия по снижению рисков соответствующего негативного явления.
Материалы и методы
За период 2023–2024 гг. сотрудниками ИГД ДВО РАН зафиксирован ряд взрывов с нарушением очередности установленной схемой монтажа взрывной сети, при ведении взрывных работ с применением неэлектрических систем инициирования (НСИ) на разрезах Буреинский и Правобережный (фото 1), а также на разных карьерах Дальнего Востока (фото 2), с конструкцией заряда, включающей ЭВВ и эмульсионный промежуточный детонатор (ПД).
Для фиксации опережающего срабатывания скважинных зарядов применяли квадрокоптер Autel Robotics Evo II Pro V3 (рис. 1). Съемка ускоренного видео производится с разрешением 1920 х 1080 с частотой 120 к/сек.
Фото 1. Динамика взрыва блока № 37, гор. 385 на разрезе Буреинский, июль 2023 года.
Photo 1. The explosion dynamics of block № 37, mountain 385 at the Bureinsky section, July 2023.
Фото 2. Динамика взрыва блока № 38, гор. 520 на Маломырском руднике, май 2024 года.
Photo 2. The explosion dynamics of block № 38, mountain 520 at the Malomyrsky rudnik section, May 2024.
По факту видеофиксации массового взрыва производили обработку видеоматериала с помощью программы MovaviVideoSuit-22, где время между стоп-кадрами составило 8,33 мс.
Одним из факторов опережающего срабатывания скважинных зарядов предположительно может являться погрешность во времени срабатывания капсюлей детонаторов [15]. Для проверки данного фактора были произведены измерения времени срабатывания капсюлей детонаторов НСИ, использованных при производствах массовых взрывов.
Измерения производили при помощи прибора ИВИ-4 производства КТБ «Интервал» г. Новосибирска. На испытательном полигоне карьера (разреза) устанавливали финишный (световой) датчик (фото 3) в коробку, исключающую проникновение света, с одной стороны, и стартовый датчик (фото 4) – с другой. Далее отходили на безопасное расстояние и производили инициирование посредством стартового устройства.
Анализ данных, представленных в таблице, указывает на потенциальную корреляцию между погрешностью времени срабатывания детонаторов НСИ и нарушением последовательности инициирования скважинных зарядов. В целях нивелирования влияния погрешности времени срабатывания детонаторов на последующих экспериментах были применены электронные детонаторы. Тем не менее данная мера не способствовала устранению выявленного негативного эффекта нарушения последовательности взрывания зарядов. Поэтому на основании проведенных исследований выдвинута гипотеза о том, что возможной причиной нарушения очередности взрывания скважинных зарядов является воздействие взрывной волны на эмульсионный ПД, через определенный горизонт массива горных пород (прослойки угля, водоносные горизонты и др.), приводящее к инициированию заряда ЭВВ, до момента срабатывания детонатора скважинной сети [6-10].
В целях нейтрализации указанного выше негативного фактора предложены следующие мероприятия:
использование в качестве промежуточных детонаторов тротиловых или пентолит-тротиловых шашек;
применение эмульсионного ПД, установленного в защитный корпус (рис. 2) [20], который также служит для точного позиционирования промежуточного детонатора по центру скважины, а инициирующего детонатора, в свою очередь, – по центру ПД;
использование патронированного эмульсионного промежуточного детонатора в специальном пластиковом корпусе по аналогии с ПД «Сибирит».
В результате реализации предложенных мероприятий на практике и соответствующих наблюдений за производством массовых взрывов (фото 5) на указанных выше разрезах явных нарушений в последовательности инициирования взрывной сети не выявлено.
Рисунок 1. Квадрокоптер Autel Robotics Evo II Pro V3.
Figure 1. Autel Robotics Evo II Pro V3 quadcopter.
Фото 3. Финишный датчик.
Photo 3. Finishing sensor.
Фото 4. Стартовый датчик.
Photo 4. Starting sensor.
Результаты измерений погрешности времени срабатывания
детонаторов НСИ
Measurement results of the blasting time error of NSI detonators
Наименование устройств НСИ Номинальное время замедления, мс Фактическое значение замедления детонаторов, мс Количество измерений Среднее значение Среднее значение отклонения замедления
от номинала
Измерение, №
1 2 3 4 5 6 абсолютное, мс относительное, %
Скважинные № 1 500 536 532 538 3 535,3 35,3 7,1
650 669 660 668 665 662 6 662,3 162,3 32,5
644 653 649 657 647 656 6 651,0 151,0 30,2
Скважинные № 2 1000 1003 1002 1020 3 1008,3 8,3 0,8
1082 1039 1085 1143 1124 5 1094,6 94,6 9,5
1020 1020 1010 1039 982 1002 6 1012,2 12,2 1,2
1026 1052 2 1039,0 39,0 3,9
1040 1148 1162 3 1116,7 116,7 11,7
Поверхностные № 1, 2 25 25 24 22 22 24 24 6 23,5 1,5 6,0
42 44 45 43 44 45 46 6 44,5 2,5 6,0
Рисунок 2. Контейнер для защиты эмульсионного боевика.
Условные обозначения. 1 – контейнер; 2 - защитный корпус; 3 - полый цилиндр; 4, 5 - выступы; 6 - торец цилиндра; 7 - перпендикулярная ось; 8, 9 - центрирующие элементы; 10 - наружная сторона; 11, 12 - вертикальные части; 13, 14 - элементы меньшего радиуса; 15, 16 - упругие элементы; 17, 18 - диски; 19 - отверстия; 20 - пазы; 21 - периметр дисков; 22 - толщина стенок; 23 - эмульсионный боевик; 24 - ударно-волновая трубка; 25 - скважина; 26 - скважинный заряд.
Figure 2. Container for protection of emulsion fighter.
Keys. 1 – container; 2 – protective housing; 3 – hollow cylinder; 4, 5 – protrusions; 6 – cylinder end; 7 – perpendicular axis; 8, 9 – centering elements; 10 – outer side; 11, 12 – vertical parts; 13, 14 – smaller radius elements; 15, 16 – elastic elements; 17, 18 – discs; 19 – holes; 20 – grooves; 21 –perimeter of discs; 22 – wall thickness; 23 – emulsion fighter; 24 – shock wave tube; 25 – borehole; 26 – borehole charge.
Фото 5. Работа скважинных зарядов по факту применения мероприятия.
Photo 5. Operation of borehole charges upon application of the measure.
Выводы
На основании проведенных исследований предложенные мероприятия представляются эффективными для предотвращения опережающего срабатывания скважинных зарядов. Вместе с тем, для более детального анализа причин отклонений фактической последовательности взрывов от проектной, предусмотренной буровзрывными работами, рекомендуется дальнейшее более углубленное проведение исследований в этой области.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Komashchenko, V. I. Razrabotka tekhnologii vzryvnyh rabot, umenshayushchej vrednoe vozdejstvie na okruzhayushchuyu sredu [Development of blasting technology that reduces harmful effects on the environment] / V. I. Komashchenko, E. D. Vorobyov, V. G. Lukyanov // Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Georesources Engineering. – 2017. – Vol. 328, № 8. – P. 33–40.
2. Averin, A. P. Kriterii ocenki negativnogo vozdejstviya pri provedenii massovyh vzryvov na okruzhayushchuyu sredu [Criteria for assessing the negative impact of mass explosions on the environment] / A. P. Averin, A.V. Kharchenko // Ugol’ [Coal]. – 2022. – № S12(1162). – P. 44–48.
3. Zhulikov, V. V. Obosnovanie effektivnosti vzryvnyh rabot s ispolzovaniem elektronnyh sistem v sravnenii s neelektricheskimi sredstvami iniciirovaniya [Substantiation of the efficiency of blasting operations using electronic systems in comparison with non-electrical means of initiation] / V. V. Zhulikov, K. A. Knyazev, S. S. Nazarov // Gornaya promyshlennost [Mining Industry]. – 2022. – № 5. – P. 64–68. – DOIhttps://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-5-64-68.
4. Novye tekhnologii vedeniya vzryvnyh rabot [New technologies for blasting operations] / V. A. Belin, M. G. Gorbonos, S. K. Mangush, B. V. Equist // Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal). – 2015. – № S1. – P. 87–102.
5. Ermolaev, A. I. Eksperimentalnyj metod ocenki vremeni podboya skvazhinnoj seti detoniruyushchego shnura [Experimental method for estimating the cutting time of downhole network detonation cord] / A. I. Ermolaev // Mining Information and Analytical Bulletin. – 2003. – № 4. – P. 74–76.
6. Gordeev, V. E. Vozbuzhdenie vzryva zhidkih vzryvchatyh veshchestv kavitaciej [Excitation of an explosion of liquid explosives by cavitation] / V. E. Gordeev, A. I. Serbinov, Ya. K. Troshin // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika [Applied Mechanics and Technical Physics]. – 1967. – № 1. – P. 45–53.
7. Dimza, G. V. Vliyanie davleniya na vozbuzhdenie detonacii zhidkih vzryvchatyh veshchestv [Effect of pressure on detonation excitation of liquid explosives] / G. V. Dimza // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika [Applied Mechanics and Technical Physics]. – 1962. – № 6. – P. 132–133.
8. Rol kavitacionnyh effektov v mekhanizmah razrusheniya i v krupnomasshtabnyh vzryvnyh processah [The role of cavitation effects in destruction mechanisms and in large-scale explosion processes] / B. K. Kedrinsky, V. A. Vshivkov, G. I. Dudnikova, Yu. I. Shokin // Vychislitelnye tekhnologii [Computing Technologies]. – 1997. – Vol. 2, № 2. – P. 63–77. – EDN KYSAFH.
9. Kamyansky, V. N. Povyshenie effektivnosti skvazhinnoj otbojki na karyerah pri raznovremennom vzryvanii skvazhinnyh zaryadov [Improving the efficiency of borehole drilling in quarries by nonsimultaneous detonation of borehole charges] : specialty 25.00.20 “Geomekhanika, razrushenie gornyh porod, rudnichnaya aerogazodinamika i gornaya teplofizika [Geomechanics, rock destruction, mine aerogasodynamics and thermophysics]”: Candidate’s thesis (Engeeniring) / Viktor Nikolaevich Kamyansky, 2019. – 123 p. – EDN PRLYPF.
10. Khristoforov, B. D. Podvodnyj vzryv v vozdushnoj polosti [Underwater explosion in an air cavity] / B. D. Khristoforov // Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika [Applied Mechanics and Technical Physics]. – 1962. – № 6. – P. 128–132.
11. Kutuzov, B. N. Fiziko-tekhnicheskie osnovy sozdaniya emulsionnyh i granulirovannyh VV i sredstv ih iniciirovaniya [Physico-technical foundations of creating emulsion and granular explosives and means of their initiation] / B. N. Kutuzov, S. A. Gorinov // Mining Information and Analytical Bulletin. – 2011. – № 3. – P. 34–52.
12. Study on the reasonable parameters of the cylinder-shaped charge with tapered liner funnel to destroy stone / T. T. Dam, V. D. Tran, D. V. Tran, D. T. To // International Symposium on Rock Mechanics and Engineering. The 35th VSRM Anniversary ISRM 2019 Specialized Conference, 22–24 Nov. 2019. – Hanoi: 2019. – P. 118–130.
13. Blast wave induced spatial variation of ground vibration considering field geological conditions / Y. L. Gui, Z. Y. Zhao, L. B. Jayasinghe [et al.] // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2018. – № 101. – P. 63–68. – URL: https://doi.org/10.1016/j. ijrmms.2017.11.016.
14. Belin, V. A. Issledovaniya detonacionnyh harakteristik emulsionnyh vzryvchatyh veshchestv, primenyaemyh na zhelezorudnyh karyerah [Studies on detonation characteristics of emulsion explosives used in iron ore quarries] / V. A. Belin, Yu. N. Bolotova, M. G. Gorbonos // Gornaya promyshlennost [Mining Industry]. – 2022. – № 1. – P. 52–56. – DOIhttps://doi.org/10.30686/1609-9192-2022-1-52-56. – EDN SQHZHQ.
15. Basarnov, A. I. Ispytaniya ustrojstv neelektricheskoj sistemy iniciirovaniya na vremya srabatyvaniya v poligonnyh usloviyah [Testing the devices of a non-electric initiation system for the firing time in field conditions] / A. I. Basarnov, D. N. Batrakov // Bulletin of the VostNII Science Centre for Industrial and Environmental Safety. – 2023. – № 1. – P. 27–37. – DOIhttps://doi.org/10.25558/VOSTNII.2023.34.31.003.
16. Dolzhikov, V. V. Vliyanie intervalov zamedleniya na amplitudy voln napryazhenij pri izuchenii modeli vzryva sistemy skvazhinnyh zaryadov [The influence of deceleration intervals on the amplitudes of stress waves when studying the explosion model of a borehole charge system] / V. V. Dolzhikov, D. E. Ryadinsky, A. A. Yakovlev // Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal). – 2022. – № 6–2. – P. 18–32. – DOIhttps://doi.org/10.25018/0236_1493_2022_62_0_18.
17. Kostyunina, O. A. Vliyanie intervalov zamedlenij na razlet oskolkov gornyh porod [The influence of deceleration intervals on the scattering of rock fragments] / O. A. Kostyunina, E. B. Shevkun, A. V. Leshchinsky // Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal). – 2021. – № 12–1. – P. 107–120. – DOIhttps://doi.org/10.25018/0236_1493_2021_121_0_107.
18. Effect of inter-hole delays on seismic safety with regard to firing time deviation / Al. A. Galimyanov, A. V. Rasskazova, I. V. Korneev [et al.] // Journal of Mining Science. – 2024. – Vol. 60, № 3. – P. 416–425. – DOIhttps://doi.org/10.1134/S1062739124030074. – EDN WNKJNT.
19. Sovershenstvovanie metodiki sejsmobezopasnogo proizvodstva BVR s uchetom faktora sezonnosti [Improving the methods of seismic-safe realization of drilling and blasting operations with regard to seasons] / V. A. Kutuev, S. N. Zharikov, P. V. Menshikov, A. S. Flyagin // Vzryvnoe delo [Blasting Work]. – 2025. – № 146–103. – P. 151–166. – EDN TQYMOH.
20. Utility Model Patent № 214622 U1 Russian Federation, IPC F42D 1/08, F42D 1/22. Container for the protection of an emulsion militant: № 2022112846 : applied 05/12/2022: published 11/08/2022 / A. A. Galimyanov, K. V. Gavalo, V. I. Mishnev [et al.]; applicant Federal State Budgetary Institution of Science Khabarovsk Federal Research Centre of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences.
