державний

Макіївський науково - дослідний інститут

з безпеки праці у гірничій промисловості

МакНДІ

Калякін Станіслав Олександрович

УДК 622.235.22

Запобігання запалення метану від заряду, який вигоряє, при вибухових роботах у вугільних шахтах вибуховими речовинами

V класу

Спеціальність 05.26.01 – “Охорона праці”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка – Донбас

2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті по безпеці робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива й енергетики України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук Зенін В.І., Державний Макіївський науково-дослідний інститут по безпеці робіт у гірничій промисловості, завідувач лабораторією ВР МакНДІ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Кашуба Олег Іванович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут по безпеці робіт у гірничій промисловості, завідувач лабораторією по боротьбі з рудниковим пилом;

кандидат технічних наук Празднікова Тетяна Миколаївна, Донецький національний технічний університет, доцент кафедри "Хімічна технологія палива".

Ведуче підприємство: Національний гірничій університет, кафедра "Аерологія і охорона праці" (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться 15.11.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.834.01 Державний Макіївський науково-дослідного інституту по безпеці робіт у гірничій промисловості Міністерства палива й енергетики України за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту по безпеці робіт у гірничій промисловості (86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60).

Автореферат розісланий 12.10.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 12.834.01,

доктор технічних наук, с.н.с. Кудінов Ю.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Розвиток вугiльної промисловостi України супроводжується постiйним заглибленням розробок та збiльшенням багатозагазованостi шахт. На сьогоднi майже 75% вугiльних шахт є шахтами III категорiї та вище. Однiєю з найважливiших задач у забезпеченнi безпеки працi у вугiльнiй промисловостi є запобiгання вибухiв метану та вугiльного пилу. Для проведення пiдготовчих гiрничих виробiтків та видобутку вугiлля буровибуховим способом згiдно вимогам “Єдиних правил безпеки при пiдривних роботах” у шахтах, небезпечних по кiлькостi газу або вугiльного пилу, в залежностi вiд ступеню безпеки забоїв виробiткiв повиннi застосовуватися запобiжнi ВР (ЗВР) рiзних класiв, умови та область застосування яких зумовленi § 223 названих правил.

ЗВР V класу використовують при пiдривних роботах по вугiллю та породі в забоях пiдземних виробiткiв з пiдвищеним видiленням метану, що вiдбувається в умовах, коли виключений контакт бокової поверхнi шпурового заряду з метано-повiтряною сумішшю (МПС), яка знаходиться у розломах масиву гiрських порiд, що перетинають шпур, або у виробiтках. Згiдно аналiзу МакНДI, витрати ЗВР V класу у цих умовах повиннi складати майже 30% вiд загальних витрат ВР при пiдривних роботах у вугiльних шахтах.

ЗВР V класу, яка використовується – вугленiт Е-6 має ряд недолiкiв з причини низької безпеки та недостатньої ефективностi. Аналiз причин аварiй, що сталися при пiдривних роботах в шахтах України в перiод з 1974 до 1994р., показав, що використання вугленiту Е-6 було причиною 19,1% аварiй вiд загальної їх кiлькостi, пов'язаних з вибухом МПС, з яких 25% сталися внаслiдок вигоряння зарядiв цiєї ВР (вибухiв вугiльного пилу не було). Крiм того, при пiдривних роботах з використанням вугленiту Е-6 не забезпечувалися планово-нормативнi темпи проведення гiрничих виробiток з причини його недостатньої роботоздатностi. Тому загальнi витрати ЗВР V класу – вугленiту Е-6 у 1993р. склали лише 15,8% вiд загальної кiлькостi ЗВР, що використовуються у вугiльних шахтах.

Актуальнiсть роботи зумовлена необхiднiстю пiдвищення безпеки пiдривних робiт шляхом виключення вигоряння шпурових зарядiв ЗВР V класу та пiдвищення їх роботоздатностi з метою зниження травматизму й запобiгання вибухiв МПС у вугiльних шахтах України.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертацiя є закiнченою науково-дослiдною роботою, що виконана за матерiалами науково-дослiдних робiт МакНДI (№ держ. реєстрації 01840049626, № держ. реєстрації 01860035549, № держ. реєстрації 0190.0013420), якi проводилися за завданням Мiнвуглепрому СРСР та Мiнвуглепрому України вiдповiдно до тематичного плану МакНДI.

Мета та задача дослiдження. Метою дисертацiйної роботи є пiдвищення безпеки пiдривних робiт у вугiльних шахтах України шляхом запобiгання запалювання метану вiд заряду, що вигоряє, за рахунок збiльшення стiйкостi ЗВР V класу проти вигоряння на основi отриманих аналiтико-експериментальних залежностей показникiв ВР (пiдпалюваємiсть, запобiжнi властивостi, роботоздатнiсть та детонацiйна здатнiсть) вiд їх параметрiв.

Для досягнення поставленої мети сформульованi та вирiшенi наступнi задачi:

·

· дослiдити засоби пiдвищення стiйкостi ЗВР проти вигоряння та установити вплив параметрiв ЗВР на їх запобiжнi властивості та детонаційну здатність;

· дослiдити засоби пiдвищення роботоздатностi ЗВР та установити вплив параметрiв ЗВР на їх запобiжнi властивостi;

· дослiдити засоби пiдвищення водостiйкостi ЗВР та установити вплив параметрiв ЗВР на їх детонацiйну здатність й передавання детонацiї мiж патронами;

· обґрунтувати безпечнi та ефективнi параметри ЗВР V класу з високою стiйкiстю проти вигоряння i з бiльшою роботоздатністю, нiж у вугленiта Е-6.

Об'єктом дослiдження є здатнiсть заряду ЗВР V класу запалювати метан пiд час пiдривних робiт, що залежить вiд параметрiв ВР: теплоти вибуху, кiлькостi газоподібних продуктiв вибуху, кiлькостi iнгiбiтора та сенсибiлiзатора у складi, пiдпалюваємостi.

Предметом дослiдження є процес вигоряння заряду ЗВР та фактори, що впливають на імовiрнiсть запалення МПС і залежать вiд властивостей ЗВР.

Ідея роботи полягає у пiдвищеннi безпеки підривних робіт шляхом зниження підпалюваємості ЗВР, покращення їх детонаційної здатності, виключення стаціонарного горіння зарядів у шпурах і збiльшеннi роботоздатностi ЗВР за рахунок енергетичного внеску утвореного пiд час вибуху iнгiбiтора та ефективного пального, запровадженого у склад ЗВР, що не впливає на пiдпалюваємість, на корисну роботу вибуху.

Методи дослідження. Дослiдження властивостей ЗВР проведенi з використанням стандартних методiв випробувань ВР, теорiй детонацiї, горiння та фiзики вибуху. Математичнi моделi для дослiдження взаємодiї продуктiв детонацiї та горiння ВР з МПС розробленi з використанням методiв, визнаних в теоретичній фiзицi вибуху та теорiї детонацiї ВР.

Адекватнiсть розроблених моделей дiйсним результатам використання ЗВР оцiнювалася шляхом порiвняльного аналiзу результатів моделювання з експериментальними даними, отриманими та обробленими математичними методами (ймовiрний метод, регресiйний аналiз).

Основні наукові положення, розроблені дисертантом:

1. Механiзм запалення МПС зарядом, що детонує, залежний вiд швидкостi та енергiї детонацiї ЗВР, який вiдрiзняється вiд вiдомих урахуванням критичного об'єму МПС, необхiдного для стiйкої реакцiї окислення при запалюваннi метану, що дозволяє визначити кiлькiсть сенсибілізатора у складi ЗВР.

2. Залежнiсть впливу енергiї вибуху ЗВР та iнгiбiтора в її складi на запобiжнi властивостi та роботоздатнiсть ЗВР, що вiдрiзняється вiд вiдомої урахуванням впливу природи утворення iнгiбiтора та його енергiї на корисну роботу вибуху, а також концентрацiї iнгiбiтора в продуктах вибуху ЗВР на її запобiжнi властивостi, що дозволяє пiдвищити роботоздатність ЗВР без зниження її запобiжних властивостей.

3. Експериментальна залежнiсть імовiрності вигоряння заряду ЗВР у шпурi вiд пiдпалюваємостi ЗВР та кількісного вмісту в її складi потрiйної сумiшi солей (нiтрат натрiю + хлористий амонiй + вуглекислий кальцiй), що забезпечують запобiгання запалення метану iонообмiнними ЗВР.

Наукова новина отриманих результатів.

В дисертацiйній роботі вперше виявленi:

·

· емпiрична залежнiсть маси граничного заряду ЗВР вiд концентрацiї iнгiбiтора в її продуктах вибуху та роботоздатностi ЗВР;

· емпiрична залежнiсть імовiрності вигоряння заряду ЗВР у шпурi вiд пiдпалюваємостi ЗВР.

Обгрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертацiйної роботи пiдтверджуються:

·

· застосуванням стандартних методiв дослiдження i засобiв випробування промислових ВР;

· достатнiм ступенем кореляцiї результатiв досліджень та задовiльним збiгом їх емпiричних залежностей;

· збiгом результатiв лабораторно-полiгонних дослiджень з результатами виробничих випробувань дослiдних зразкiв та партiй ЗВР V класу при пiдривних роботах у вугiльних шахтах.

Наукове значення роботи полягає у розвитку теорiї ЗВР, заряди яких є стiйкими проти вигоряння у шпурах, на основi розроблених математичних моделей, що описують можливiсть запалення МПС зарядами ЗВР, якi детонують та вигоряють, i обґрунтованості безпечних та ефективних параметрiв ЗВР, стiйких проти вигоряння, бiльш потужних, нiж iснуючi нестiйкi, внаслiдок урахування впливу природи утворення iнгiбiтора пiд час вибуху та його енергетичного внеску в корисну роботу вибуху.

Практичне значення отриманих результатiв полягає у зниженні кількості вигорянь зарядів ЗВР V класу у шахтах, в обґрунтуванні безпечних та ефективних параметрiв ВР цього класу – вугленiтiв 13П та 13П/1. Використання цих ВР у вугiльних шахтах України забезпечило безпечнi умови працi при пiдривних роботах за рахунок запобiгання запалення метану вiд заряду, що вигоряє, та пiдвищило ефективнiсть буропiдривних робiт. Спираючись на позитивнi результати приймальних випробувань, названi вугленiти допущенi Держгіртехнаглядом України до постiйного використання для пiдривних робiт у вугiльних шахтах, безпечних по газу або таких, що розроблюють пласти, безпечнi по вибухам пилу, в умовах, де повиннi застосовуватися ЗВР V класу.

Результати дисертаційної роботи дозволяють:

·

· визначити необхiдну кiлькiсть сенсибiлiзатора у складi ЗВР для забезпечення її високої детонацiйної здатностi в залежностi вiд рiвня запобiжних властивостей ЗВР;

· визначити вплив пiдвищення роботоздатностi ЗВР на її запобiжнi здатностi;

· на основi математичної моделi, що описує вплив iнгiбiтора на роботоздатність та запобiжнi властивостi ЗВР, виявити необхiдну кiлькiсть iнгiбiтора у складi ЗВР.

Основні результати наукових досліджень використані:

·

· Хімічним казенним об'єднанням (ХКО) iм. Г.І. Петровського при органiзацiї серiйного випуску ЗВР V класу – вугленiтів 1ЗП та 1ЗП/1, що допущенi листом Держгіртехнагляду УРСР вiд 26.06.1992р. №8-9а/618 до постiйного використання.

Особистий внесок автора. Результати дослiджень, що приведенi в дисертацiйнiй роботі, отриманi особисто автором. Авторовi належать i основнi iдеї побудови ЗВР, стiйких проти вигоряння, розробка математичних моделей для дослiдження залежностi запобiжних властивостей ЗВР, їх роботоздатностi вiд параметрiв ВР, отримання залежностi стiйкостi ЗВР проти вигоряння, що характеризується величиною частини заряду, що згорiла, вiд пiдпалюваємостi ЗВР, розробка рекомендацiй по безпечному та ефективному використанню ЗВР V класу.

Апробація результатів дисертації. Основнi результати дисертацiйної роботи обговорювалися і були схвалені на Мiжнародній науково-промисловій конференцiї “Проблеми виробництва промислових ВР на сучасному етапi та утилiзацiя боєприпасів” в ВО “Павлоградський хiмiчний завод” (Україна, м. Павлоград, 1997 р.), науково-технiчних радах ХКО ім. Г.I. Петровського (м. Петровське, 1993 р.) i Донецького казенного заводу хiмiчних виробiв (м. Донецьк, 1995р.), вчених радах МакНДI.

Публікації. Основнi науковi і практичнi результати роботи надрукованi в 9 наукових статтях, 8 з яких – в центральних видавництвах, рекомендованих ВАК України, і приведені в 2 патентах України на винахід.

Структура та об'єм дисертації. Дисертацiя складається зі вступу, 5 роздiлiв, висновку, списку використаної лiтератури (114 джерел) та 3 додаткiв. Дисертацiя викладена на 147 сторiнках, мiстить 3 малюнки, 39 таблиць, 33 сторiнки додаткiв, загальний обсяг 193 сторiнки.

Автор вважає за належне висловити глибоку вдячнiсть науковому керiвниковi, в минулому зав. лабораторiєю ВР МакНДI, кандидатовi технiчних наук Зенiну Валерiю Iвановичу за цiнну допомогу при виконаннi роботи. Автор також вдячний ведучим спецiалiстам вiддiлу підривних робiт та вибухових матерiалiв МакНДI Толстих К.С., Песоцькому М.К., Манжос Ю.В., всiм спiвробiтникам вiддiлу, якi допомагали при виконаннi роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертацiї присвячений аналiзу актуальної проблеми пiдвищення безпеки пiдривних робiт у вугiльних шахтах України за рахунок пiдвищення стiйкостi ЗВР V класу проти вигоряння.

Основи розвитку та побудови запобiжних ВР базуються на роботах радянських вчених К.К. Андрєєва, А.I. Гольбiндера, Б.Д. Россi, А.П. Глазкової, Л.В. Дубнова, Н.С. Бахарєвіч, В.Ф. Старокожева, М.О. Анаскiна, В.Є. Олександрова, Б.М. Кукiба. Великий внесок у розвиток запобiжних ВР зробили українськi вченi О.I. Селезньов, Ф.М. Галаджий, М.Л. Росинський, В.I. Зенiн, В.М. Расторгуєв, М.К. Песоцький, Б.I. Вайнштейн.

Завдяки зусиллям вищеназваних вчених були розробленi та упровадженi у 1962-1963рр. вугленiт Е-6, пiзнiше – запобiжнi патрони ЗВП-1, на початку 70-х рокiв – вугленiт 7у та селектiт, в кiнцi 70-х рокiв – високозапобiжнi патрони СП-1, вугленiти №8 та 12ЦБ. З усiх названих ЗВР найпоширенішим (за об'ємом використання) був вугленiт Е-6, який вiдноситься до ЗВР пiдвищеної запобіжності та застосовується в умовах, де дозволене використання V класу. Аналiз тридцятирiчного досвiду використання вугленiту Е-6 показав, що ця ЗВР має два суттєвi недостатки: низьку стiйкiсть шпурових зарядiв проти вигоряння та недостатню роботоздатність . Крiм того, патрони вугленiту Е-6 мають низьку водостiйкiсть, що часто призводить до вiдмови детонацiї шпурових зарядiв в умовах, коли шпур у водi. В результатi використання вугленiту Е-6 у вугiльних шахтах мали мiсце запалення метану при пiдривних роботах.

Зарубiжнi ЗВР мають переваги порiвняно з вугленiтом Е-6: вищі водостiйкiсть, роботоздатність (Польща, Чехiя, Англiя) і стiйкiсть проти вигоряння (Англiя, Німеччина, Бельгiя).

Аналiз травматизму при вибухових роботах за кордоном показав, що в умовах, приблизно iдентичних до умов застосування вугленiту Е-6, де використовуються аналоги зарубіжного асортименту ЗВР, причиною аварiй були тiльки ЗВР, що не мали достатньої стiйкостi проти вигоряння.

Упровадження в 1965-1968рр. спецiальних ЗВР, що стiйкi проти вигоряння, вiдбулося в Англiї, Бельгiї, Німеччині. В iнших країнах ЗВР не мали спецiального захисту вiд вигоряння, а основна увага придiлялася пiдвищенню їх детонацiйної здатностi. В результатi в Англiї, Бельгiї, Німеччині протягом наступних 25 рокiв пiсля упровадження названих ЗВР не було жодної аварії, пов'язаної з запаленням метану при пiдривних роботах.

Таким чином, основним напрямком пiдвищення безпеки підривних робiт у вугiльних шахтах є збiльшення стiйкостi проти вигоряння ЗВР V класу, що використовуються.

У другому розділі при вирiшеннi задачi пiдвищення стiйкостi ЗВР проти вигоряння був проведений аналiз методiв її визначення. Виявилося, що методи визначення стiйкостi проти вигоряння в Англiї, Бельгiї, Німеччині базуються на здатностi заряду ЗВР пiдпалюватися вiд теплового джерела. Так визнається, бо вважається, що здатнiсть ЗВР вигоряти цiлком визначається зниженням i навiть втратою його детонаційної здiбностi, а також недостатнiстю iнiцiюючого iмпульсу для збудження нормальної детонацiї заряду. Зниження детонацiйної здатності заряду ЗВР вiдбувається в результатi динамiчного переущiльнення патронiв, виявлення канального ефекту, зволоження ЗВР в шпурах, що у водi, злежалостi. Недостатнiсть iнiцiюючого iмпульсу пов'язана з неякiсними детонаторами, роздвиганням патронiв в шпурi, присутнiстю вугiльного пилу мiж патронами, незадовiльною заробкою торцiв патронiв при їх виготовленi. Ще одним важливим фактором, що впливає на здатнiсть ЗВР вигоряти, є безпосереднiй контакт мiж ЗВР та вугiльним пилом у шпурi. Тому всi методи виявлення стiйкостi проти вигоряння враховують цю особливiсть. Найбiльш характерними методами випробувань ЗВР на стiйкiсть проти вигоряння є методи, якi прийнятi в Бельгiї та Німеччині. В принципi, там прийнятий один метод, основи якого розробили Одибер та Дельмас. Пiзнiше вiн був удосконалений в Німеччині Аренсом, а в Бельгiї Гоффардом. Основною його вiдмiною вiд iншого поширеного методу, яким користувалися у Франції - Сарторiус, в Англії - Плант , в СРСР – Галаджий, Дубнов та Романов, є те, що для його здiйснення не потрiбнi важкi мортири, в яких проводяться пiдривання зарядiв ЗВР для отримання вигоряння. Суть методу полягає у запаленнi патрону ЗВР, який оточує вугiльна оболонка, за допомогою нагрiвального елемента. Ступiнь герметизацiї камери, в якiй вiдбувається запалення, змiнюється за допомогою спецiальної кришки, що знiмається, в якiй є калiброване сопло. В Німеччині вважається, що якщо при діаметрі сопла 2мм патрон ЗВР вигорiв бiльш, нiж на 1см, така ЗВР не має достатнього для безпечного застосування рiвня стiйкостi проти вигоряння. В Бельгiї - бiльш практичний пiдхiд. Там при діаметрі сопла 1,5-2мм ЗВР, що випробовується, зрівнюється з еталоном – шарбритом 4/50 (ЗВР ІV класу). Довжина вигорiвшої частини патрону не повинна бути бiльшою, нiж у патрона – шарбрита.

В Українi застосовують метод визначення пiдпалюваємостi, який розроблений спiльно МакНДI та МХТI ім. Д.I. Мендєлєєва. Вiн заснований на визначенi маси навiски запалювача, яка пiдпалює зразок ЗВР (показник пiдпалюваємостi П50 ), оточений вугiльною оболонкою, розташований в герметичнiй манометричнiй бомбi. За допомогою параметра П50 розраховується вiдносний показник стiйкостi проти вигоряння:

, (1)

де Ув - вiдносний показник стiйкостi проти вигоряння;

НОП, НЕТ - кiлькiсть неповних детонацiй, зафiксованих при випробуваннi дослідної та еталонної ЗВР вiдповiдно;

АОП, АЕТ – кiлькiсть пiдiрваних зарядiв дослідної та еталонної ЗВР вiдповiдно;

П50оп, П50ЕТ - показник пiдпалюваємостi дослідної та еталонної ЗВР вiдповiдно.

У рiвняннi (1) перший множник характеризує детонацiйну здатність, а другий – пiдпалюваємість ЗВР вiдносно еталону.

Як бачимо, проаналiзованi методи рiзнi. Враховуючи те, що в Німеччині та Бельгiї є ЗВР, стiйкi проти вигоряння, запровадження яких повнiстю виключило запалення метану при пiдривних роботах, а на Українi таких ЗВР немає, необхiдно було виявити можливiсть переходу вiд зарубіжного методу визначення стійкості проти вигорання до вітчизняного методу визначення пiдпалюваємостi. При цьому виникла необхiднiсть оцiнки безпеки застосування ЗВР, спроможної до горiння, з метою виявлення достатнього рiвня стiйкостi проти вигоряння та його оформлення як критерiю.

Основна безпека вигоряння ЗВР полягає в тому, що процес горiння заряду дуже довгий, до 10 хвилин, а процес вибуху – надзвичайно швидкий, тривалiстю буквально мiлiсекунду. Тому за час горiння заряду в забої гірського виробiтку може утворитися вибухонебезпечна концентрацiя метану, крiм того, може запалитися вiдбите вибухом вугiлля. В той же час енергетика процесу горiння ЗВР не набагато вiдрiзняється вiд енергетики процесу детонацiї, i агресивнiсть продуктів горiння ЗВР вiдносно до МПС надто велика.

Враховуючи змiни газового оточення в забої гірського виробiтку (внаслiдок зростання концентрацiї метану до вибухонебезпечних меж та досягнення необхiдного для запалення МПС часу iндукцiї) та маси ЗВР, яка горить, в залежностi вiд швидкостi її горiння, вдалося оцiнити небезпеку заряду, що вигоряє. Критерiй небезпеки його застосування має вигляд:

, (2)

тобто час горiння заряду ЗВР – tг повинно бути бiльшим або рiвним t - часовi утворення вибухонебезпечної концентрацiї МПС з урахуванням часу iндукцiї, а величина частини заряду ЗВР, що згорiла - lвг повинна бути бiльшою або ж рiвною певнiй критичнiй величинi lкр, що визначається швидкiстю горiння, часом утворення вибухонебезпечної МПС, її складом та часом iндукцiї.

Аналiзуючи критерiй (2), можна зробити висновок, що метод Одибера – Дельмаса дозволяє оцiнювати безпеку застосування ЗВР у спiввiдношеннi до його стiйкостi проти вигоряння. Дiйсно, цим методом визначається, яка частина заряду ЗВР вигоряє при наявностi калiброваного сопла, тобто можна визначити величину lвг. Якщо величина lвг <lкр , то ЗВР має достатню стiйкiсть проти вигоряння, що забезпечує його безпечне використання. Величину lкр можна визначити, проаналiзувавши досвiд використання ЗВР у шахтах. З цією метою в таблицi 1 зiбранi всi вiдомi ЗВР, що використовувалися або проходили випробування у вугiльних шахтах, для яких є данi по стiйкостi проти вигоряння, що визначається за методом Одибера – Дельмаса та методом пiдпалюваємостi МХТI–МакНДI. Додатково обома методами була виявлена стiйкiсть проти вигоряння ряду експериментальних зразкiв ЗВР.

Таблиця 1

Результати порiвняльних випробувань ЗВР на стiйкiсть проти вигоряння за методом

Одибера – Дельмаса та методом МХТI - МакНДI

Назва ЗВР Країна, в якiй розроблена ЗВР Практична характеристика ЗВР у вугiльних шахтах за досвiдом використання Метод Одибера-Дельмаса Метод МХТI-МакНДI Вiдносний показник стiйкостi проти вигоряння, lо=lвг/lвг

Диаметр сопла при горiннi заряду, мм Величина частини заряду, що згорiла, см Середня величина навiски запалювача, П50 ,г

Шарбрит 418 Бельгiя Використовувався в шахтах до 1968р., мали мiсце вигоряння шпурових зарядiв 2,0 4,0…5,0 - 0,80

Шарбрит 4/50 Бельгiя Використовувався з 1968р., стiйкий проти вигоряння 2,0 2,5…3,0 - 1,45

Кемпоксит-1 Бельгiя Використовується з 1972р., стiйкий проти вигоряння 2,0 0,5…2,0 - 2,67

Остравiт Ц Чехiя Використовується з 1985р., стiйкий проти вигоряння - - 2,4 -

Веттеренергiт В Німеччина Використовується з 1980р., стiйкий проти вигоряння 2,0 <1,0 - >4,0

Веттеркарбонiт А Німеччина Використовувався з 1955р., не стiйкий проти вигоряння Без сопла Вигоряння патрону - -

Веттеркарбонiт Ц Німеччина Використовується з 1966р., стiйкий проти вигоряння 2,0 <1,0 - >4,0

Амонiт Т - 19 СРСР Використовується з 1972р., не стiйкий проти вигоряння 2,0 27,0 (згорає патрон) 0,74 (0,71-0,8) 0,15

Вугленiт Е-6 СРСР Використовується з 1963р., не стiйкий проти вигоряння 2,0 16,0 (згорає патрон) 0,79 (0,74-0,84) 0,25

Вугленiт 13П Україна Використовується з 1994р., стiйкий проти вигоряння 2,0 2,0 1,45 (1,32-1,59) 2,0

Вугленiт 13К Україна Промисловi випробування у 1992р., стiйкий проти вигоряння 2,0 1,0 1,82 4,0

Вугленiт 12ЦБ СРСР Використовується з 1980р., мали мiсце вигоряння шпурових зарядiв 2,0 4,0…7,5 0,74 0,53

Зразок А12/10 Україна Експериментальний зразок ЗВР V класу 2,0 1,5 1,62 2,67

Зразок К 5/4 Україна Експериментальний зразок ЗВР V класу 2,0 3,0 1,22 1,33

Зразок 14Ф Україна Експериментальний зразок ЗВР V класу 2,0 <0,5 3,3 >14,0

При визначеннi lкр були використанi ЗВР, що у вугiльних шахтах достовiрно давали вигоряння шпурових зарядiв. Виявилось, що в усiх цих ЗВР вигоряння зарядiв за методом Одибера – Дельмаса вiдбувалося при довжинi вигорiвшої частини бiльше 4,0см (шарбрит 418 і вугленiт 12ЦБ), а ЗВР, у яких горiння по заряду поширювалося на величину менше 4,0см, виявилися стiйкими проти вигоряння i в шахтах вигоряння не давали. Таким чином, величина lкр =4,0см обрана як критерiй безпечностi використання ЗВР, стiйких проти вигоряння. Далi було визначено вiдносний показник стiйкостi проти вигоряння у виглядi критерiю безпеки l0=lкр/lвг (табл.1): l0?1 – використання ЗВР небезпечне, l0>1 – використання ЗВР безпечне. Було зроблено кореляцiйний аналiз залежностi вiдносного показника стiйкостi проти вигоряння вiд величини навiски, що характеризує пiдпалюваємість ЗВР –П50. Такий аналiз можливий, якщо припустити, що у рівнянні (1) множник, що характеризує стiйкiсть детонацiї, постiйний або мало вiдрiзняється для ряду високозапобiжних ВР. Тодi їх стiйкiсть проти вигоряння визначається виключно здатнiстю пiдпалюватися. Це буде цілком коректно, якщо зробити висновок про те, що стiйкiсть детонацiї для цих ЗВР цiлком залежить вiд виду та кiлькостi сенсибiлiзатора в їх складi. Всi високозапобiжнi ВР вiтчизняного виробництва як сенсибiлiзатор мiстять сумiш нiтроефiрiв: 60% нітрогліцерину і 40% дiетіленглікольдiнiтрату, зарубiжнi – сумiш нiтроглiцерину та нiтроглiколю, а кiлькiсть сенсибілізатора в ЗВР знаходиться у достатньо вузькому iнтервалi: 11-14%. Тому можливiсть кореляцiї цих величин цiлком імовірна i дозволяє зробити коректний перехiд вiд стiйкостi проти вигоряння за методом Одибера – Дельмаса до пiдпалюваємостi за методом МХТI–МакНДI. Це необхiдно для того, щоб знайти зв'язок показника стiйкостi проти вигоряння з показником П50, який нормується дiючими технiчними вимогами на ЗВР V класу. Для кореляцiйного аналiзу було взято вiдносний показник пiдпалюваємостi П0=1,2г/П50, де 1,2г – норма величини пiдпалюваємостi для ЗВР V класу, стiйких проти вигоряння, згiдно дiючим технiчним вимогам. Виявилося, що величини l0 та П0 корелюють мiж собою і мають сильний кореляцiйний зв'язок. Після зведення рiвняння l0 = ц(П0) до лiнiйного вигляду шляхом функцiональних перетворень =lgl0 та =lgП0, отримаємо коефіцієнт кореляцiї r =0,83, достовiрнiсть якого оцiнювалася величиною стандартної помилки коефіцієнта кореляцiї та критерiєм достовiрностi t – Стьюдента для умови значимостi 0,05. Цей результат дозволяє отримати емпіричне рiвняння переходу вiд пiдпалюваємостi до стiйкостi проти вигоряння за методом Одибера – Дельмаса у виглядi:

. (3)

Отримана залежнiсть (3) дозволяє визначити, чи є розробленi вiтчизнянi ЗВР достатньо стiйкими проти вигоряння, шляхом зiставлення їх показника П0 з вiдомим показником l0 зарубiжних ЗВР, стiйких проти вигоряння, визначеним за методом Одибера –Дельмаса. Як показали дослiдження, найбiльш прийнятним засобом забезпечення стiйкостi проти вигоряння виявився засiб, розроблений у Німеччині. Вiн заснований на введенi у склад ЗВР потрiйної сумiшi солей NaNO3 - NH 4Cl - CaCO3. Враховуючи те, що вугленiт Е-6 мiстить у своєму складi NaNO3, NH4Cl і 7% хлористого натрiю, було запропоновано замiнити останнiй на СaCO3. Ефект вiд такої замiни, як показали розрахунки, пiдвищує стiйкiсть проти вигоряння бiльш, нiж у 2 рази.

Iншою важливою задачею, що розглядалася у другому роздiлi, є пiдвищення детонацiйної здатностi ЗВР. Вiдомо, що пiдвищення детонацiйної здатностi негативно впливає на запобiжнi властивостi ЗВР під час вибуху їх у кутовій мортирi. Тому, щоб отримати високi детонацiйнi властивості та зберегти рiвень запобiжних властивостей, необхiдний ЗВР V класу, треба було визначити, яку кiлькiсть сенсибiлiзатора – нiтроефiрiв можна ввести у склад ЗВР.

До сьогоднi запобiжнi властивостi ЗВР ототожнювалися iз здатнiстю не запалювати МПС при детонації. При цьому, як правило, видiляють два основних фактори, якi можуть бути причиною запалення МПС – ударну хвилю і продукти вибуху, що утворилися при детонацiї ВР. Ударна хвиля при проходженнi по МПС стискує її та нагрiває до параметрiв запалення, що визначаються умовами теплового вибуху. Аналогiчно, продукти вибуху, якi мають високу температуру, в процесi змiшування з МПС нагрiвають її до тих же параметрiв.

В дисертацiйній роботі доведено, що на практицi реалiзується i iнший механiзм запалення МПС. Основна його концепцiя полягає у радикально-ланцюговому ініціюванні реакцiї окислення метану. При цьому ударна хвиля розглядається як джерело утворення активних радикалiв. При проходженнi по МПС сильної ударної хвилi за її фронтом в результатi дисоціації метану і кисню утворюються високоефективнi радикали, якi потiм викликають запалення МПС. При цьому критичними величинами є величина концентрацiї радикалiв та деякий критичний об'єм, у якому може реалізуватися незгасаюча цепна реакцiя окислення метану.

Викладенi розрахунки дозволили визначити критичний параметр – радiус rкр об'єму МПС, в якому може розвиватися запалення по радикально-ланцюговому механiзму. Цей об'єм дуже малий, тому може бути охоплений ударною хвилею, що поширюється по МПС. В результатi в даному об'ємі ударна хвиля викликає дисоціацію CH4 та О2 , пiсля чого утворюються радикали, якi здiйснюють запалення за ланцюговим механiзмом. Об'єм, охоплений ударною хвилею, повинен бути бiльш критичного, а концентрацiя радикалiв при дисоціації – достатня для розвитку ланцюгового вибуху. Цi умови запишемо наступним чином:

V/Vкр і 1; С/Скр і 1. (4)

В результатi розв'язання у загальному виглядi задачi переходу детонацiйної хвилi в МПС, що оточує заряд, з урахуванням зародження реакцiї в критичному об'ємі було виявлено критичне значення швидкостi детонацiї ЗВР - Dкр , при якому буде здiйснюватися вищеописаний механiзм запалення та детонацiї МПС:

Dкр = (Dмпс /и)(n+1)(k+1), (5)

де n- показник полiтропи ЗВР;

Dмпс - швидкiсть детонацiї МПС;

k= сp /сv - показник адiабати продуктiв вибуху МПС;

cp та с v - теплоємкiсть продуктiв вибуху МПС при постiйних тискові та об'ємі відповідно;

и – критичний параметр, що дорiвнює:

q = 1 + 2n/(n-1) [ 1 - { (rз/rкр)n}(n-1)/2n];

rз - радiус заряду ЗВР,

rкр = rз + rкр ,

rкр - критичний радiус МПС.

При цьому критичне енерговидiлення при детонації ЗВР складатиме:

Qкр = [Dмпс/q(n+1)/(k+1)]2 / 2(n2-1). (6)

За рiвняннями (5) та (6) розрахованi критичнi значення швидкостi детонації ЗВР та енерговидiлення, якi характеризують безпечнiсть запалення МПС вiдкритим зарядом. Таким чином, конкретнi величини Dкр i Qкр характеризуватимуть рiвень запобiжних властивостей вiдкритого заряду ЗВР у МПС.

Для ЗВР V класу, у якій показник полiтропи n =2,0, діаметр патрону 36?10-3м i густина 1150-1300 кг/м3, критичнi значення швидкостi детонацiї та енерговидiлення складають Dкр=2270 м/с, Qкр =858 кДж/кг. Оскiльки вiдомо, що основну енергiю пiд час вибуху заряду ЗВР V класу у вiдкритому виглядi видiляє сенсибілізатор (нiтроефiри), виявляємо вiдсоток його складу в речовинi, виходячи з величини критичного енерговидiлення. Була обрана сумiш нiтроефiрiв, яка складається з 71,13% нiтроглiцерину, 27,18% динiтрату діетіленгліколю та 1,69% колоксиліну з найбiльшим значенням теплоти вибуху 6227,5 кДж/кг. Тодi ЗВР V класу повинно вмiщувати нiтроефiрiв не бiльше Сне=858/6227,5Ч100%=13,8%. Враховуючи прийнятi допущення нiтроефiрiв на заводi, який виготовляє ВР, можна установити номiнальне значення нiтроефiрiв – 13%, а з урахуванням допускiв – 13,0±1,0%. Цей рiвень вмiщення нiтроефiрiв забезпечить максимально можливу детонацiйну здатнiсть, яка обумовлюється швидкiстю детонацiї. Остання розраховується за формулою:

D = В r а , (7)

де D – швидкiсть детонації ВР;

В, а – коефiцієнти, отриманi експериментальним шляхом;

с - густина ВР в патронi діаметром 36мм.

Розрахунок всiх параметрiв детонацiї ЗВР базується на основних положеннях гiдродинамiчної теорiї детонацiї. Дiйсно, знаючи вид функцiї (7), отримаємо:

¶lnD/¶lnr = а і (8)

(а+1)a2 + (2а + 1 - g)a-g = 0, (9)

де г - коефiцiєнт Грюнайзена;

.

Якщо знайти значення б, можна розрахувати тиск детонацiї Рн:

Pн = rD2/{(2+a)[1+(¶lnD/¶lnr)]} . (10)

Таким чином, визначення Рн дозволяє зробити вибiр ЗВР V класу з бiльш високою детонацiйною здатнiстю, нiж у вугленiта Е-6.

У третьому розділі розглядена задача пiдвищення роботоздатностi ЗВР. Вiдомi засоби її пiдвищення, заснованi на збiльшеннi енергiї вибуху або газовостi ( кiлькостi газоподiбних продуктiв вибуху) ЗВР. Проте цi засоби не можуть застосовуватися до ЗВР, тому що перший призводить до різкого погiршення їхнiх запобiжних властивостей, а другий потребує зменшення кiлькостi iнгiбiтору, який уявляє собою конденсовану фазу, що врештi-решт теж знижує запобiжнiсть. Засобом, що вiдрiзняється вiд перших двох, є засiб застосування комбiнованого заряду, в якому передбачається поєднання ВР: потужного з низькою запобiжнiстю та високозапобiжного. Так, комбiнований заряд з 0,6кг амонiту ПЖВ – 20 та 0,4кг вугленiту Е-6 має високу ефективнiсть вибуху та не запалює метан масою 1,0кг із каналу мортири. Проте отримати еквiвалентну ЗВР, вiдповiдну за ефективнiстю та безпечнiстю такому комбiнованому зарядовi, не вдалося, хоча така ЗВР дозволила б отримати роботоздатність на 17% бiльшу, нiж у вугленiта Е-6. Причина невдачi була пов'язана з тим, що до кiнця не були вiдомi умови впливу iнгiбiтора окислення МПС на безпечнiсть та ефективнiсть вибуху ЗВР.

В данiй роботі в результатi експериментальних дослiджень вплив iнгiбiтору був виявлений. З усiх вiдомих експериментальних методiв визначення роботи вибуху ВР тiльки метод балiстичного маятника дозволяє кiлькiсно прорахувати значення цього показника. Тому на двох- маятниковій балiстичнiй установцi було проведене дослiдження по визначенню роботи вибуху ряду ВР, однi з яких не вмiщали в собi конденсованої фази (iнгiбiтора), iншi вмiщали її у виглядi баластного iнертного додатку, а у третiх iнгiбiтор утворювався в результатi хiмiчної реакцiї мiж компонентами, що входять у склад. В результатi обробки результатiв експериментiв вдалося виявити вплив природи утворення конденсованої фази в продуктах вибуху на роботоздатність ВР. Виявилося, що якщо конденсована фаза додається до складу ВР як iнертний баластний додаток, то її вплив на роботу вибуху враховується коефiцiєнтом, що дорiвнює з =1 - еб, якщо конденсована фаза утворюється в результатi хiмiчної реакцiї, то її вплив враховується коефiцiєнтом, що дорiвнює з = (1- еР )0,5, де еб та еР - вiдносне вмiщення конденсованої фази в продуктах вибуху 1кг ВР в першому та другому випадках вiдповiдно. Обробка результатiв визначення роботи вибуху ЗВР – АЗВР дозволила отримати емпiричну залежнiсть цiєї роботи вiд параметрiв ЗВР:

, Дж, (11)

де Qv – теплота вибуху 1кг ВР, Дж;

Nг – кiлькiсть газоподiбних продуктiв вибуху 1кг ВР, моль;

D – швидкiсть детонації ВР, м/с;

k – показник адiабати продуктiв вибуху, k = сР/сV .

Найбiльш прийнятним напрямком пiдвищення роботоздатностi ЗВР V класу, є, як було вiдзначено вище, замiна у вугленiтi Е-6 хлористого натрiю на вуглекислий кальцiй, щоб отримати потрiйну сумiш NaNO3-NH4Cl-CаCO3. При рiвних теплотах вибуху та детонацiйних властивостях запропонованого складу та вугленiту Е-6 роботоздатність першого згiдно з рiвнянням (11) буде на 2-18% бiльшою ніж роботоздатність другого. Щоб теплота вибуху запропонованого складу була не меншою, нiж у вугленiту Е-6, до нього додавалося високоефективне пальне полiстирол.

Для ЗВР такого типу була отримана залежнiсть роботоздатностi, що була визначена за методом Трауцля (у свинцевій бомбi ), вiд параметрiв ЗВР: Qv - питома теплота вибуху (кДж/кг), Nг – кiлькiсть молiв газоподiбних продуктiв вибуху (моль/кг), е - кiлькiсть iнгiбiтора в продуктах вибуху (кг/кг). Це було необхiдно з тiєї причини, що величина роботоздатностi має велике практичне значення, тому що її використовують для розрахунку питомої витрати ВР та маси шпурового заряду при складенні паспортiв БВР на шахтах. Обробка результатiв випробувань 70-ти зразкiв ЗВР в бомбi Трауцля дозволила отримати емпiричну залежнiсть розширення свинцевої бомби ?V вiд параметрiв ВР:

. (12)

Таким чином, отриманi математичнi моделi повнiстю описують вплив iнгiбiтора, теплоти вибуху та кiлькостi газоподiбних продуктiв вибуху на роботоздатність ЗВР. Проте тепер необхiдно виявити, як збiльшення роботоздатностi ЗВР на 15-16% (за аналогiєю до комбiнованого заряду) вплине на запобiжнi здатностi ЗВР V класу.

З цiєю метою було розглянуто можливий механiзм запалення МПС зарядом ЗВР з каналу мортири без набійки. В результатi були отриманi критерiї впливу продуктiв вибуху заряду ЗВР на безпеку вибуху. Виявилося, що, якщо час iндукцiї МПС (t) бiльший або рiвний часовi витікання вибуху ЗВР з каналу мортири (t) , а швидкiсть продуктiв вибуху ЗВР (Uзвр) бiльша або рiвна швидкостi продуктiв реакцiї окислення МПС (Uр) , то при умовi , що концентрацiя інгібітора в продуктах вибуху ( вiнг) бiльша або рiвна деякiй величинi , що забезпечує вибухозаглушування МПС (во), вибух безпечний. У виглядi критерiя умови безпеки вибуху в каналi мортири можна записати так:

;. (13)

Зразки ЗВР були випробувані у дослідному штреку. На основi кореляцiйного аналiзу результатiв випробувань (коефiцiєнт кореляцiї r = 0,9) була отримана залежнiсть показника, що характеризує запобiжнi властивостi ЗВР пiд час вибуху в канальнiй мортирi (Пк.м.), вiд концентрації iнгiбiтора (е /Nг) в продуктах вибуху та теплоти вибуху ЗВР:

, (14)

а також отримана емпірична залежнiсть маси граничного заряду ЗВР (Мгр) пiд час вибуху його в каналi мортири вiд цього показника:

Мгр = 406000,0Пк.м.1,06 , кг. (15)

Використовуючи залежностi (12), (14) і (15) для рiвня безпеки, який визначається граничним зарядом з Мгр = 1,0кг , розраховано значення кiлькостi iнгiбiтора е в ЗВР, яка розробляється, при умовi отримання роботоздатностi на 15% бiльшої, нiж у вугленiта Е-6: е ? 0,31кг/кг.

У четвертому розділі розглядається збiльшення водостiйкостi ЗВР V класу з пiдвищеною стiйкiстю проти вигоряння. Ця задача вирiшується шляхом запроваджування у склад ЗВР спецiальної гiдрофобiзованої селiтри ЖВК та замiни деревинного борошна на полiстирол. Наявнiсть гiдрофобiзатора та вiдсутнiсть розпушувача - деревинного борошна пiдвищать детонацiйну здатнiсть ЗВР та значно покращать його здатнiсть протистояти попаданню води у середину патрону.

В результатi розв'язання задач, якi виникли при реалiзацiї обраних напрямкiв пiдвищення безпеки пiдривних робiт ЗВР V класу, обґрунтовані безпечнi та ефективнi параметри засобу пiдвищення стiйкостi цих ВР проти вигоряння, якi стали основою при розробцi технiчних умов на новi ЗВР V класу.

У п'ятому розділі роботі вищевказані технiчнi умови втiленi у дослідні зразки ЗВР V класу. В результатi їх випробувань були вiдiбранi два, якi вiдповiдають дiючим технiчним вимогам на ЗВР V класу – вугленiти 13П та 13П/1.

Вугленiти 13П і 13П/1 за стiйкiстю проти вигоряння знаходяться на рiвнi ЗВР, що застосовують в Англiї, Бельгiї, Німеччині. Крiм того, в зрівнянні з вугленiтом Е-6, який вони замiнили у 1994р., вугленiт 13П має бiльш високу роботоздатність (на 15%), у 2-3 рази бiльшу передачу детонацiї мiж патронами пiсля витримки їх у водi на глибинi 1м протягом 0,5 години (водостiйкiсть), а вугленiт 13П/1 має бiльш високi запобiжнi властивостi: граничний заряд у кутовiй мортирi, що не пiдпалює МПС, в 2 рази бiльший. Розробленi ЗВР V класу дозволяють забезпечити безпеку проведення пiдривних робiт у вугiльних шахтах, небезпечних по газу або пилу, на такому високому рiвнi, що їх гарантiйний строк збiльшений з 6 до 9-12 мiсяцiв.

ВИСНОВКИ

В дисертацiйнiй роботi подане нове рiшення актуальної наукової задачі пiдвищення безпеки пiдривних робiт у вугiльних шахтах шляхом запобiгання запалення метану вiд вигоряючого заряду за рахунок збiльшення стiйкостi ЗВР V класу проти вигоряння на основi установлених