Державний комітет України з нагляду за охороною праці

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

(ННДІОП)

Щетинін Віктор Терентійович

УДК 622.242: 622.235

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ДІЇ ВИБУХІВ ЦИЛІНДРИЧНИХ ЗАРЯДІВ ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН З БАГАТОТОЧКОВИМ ІНІЦІЮВАННЯМ

Спеціальність 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Кременчуцькому державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Воробйов Віктор Васильович,

Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри технічної механіки, м. Кременчук

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Крівцов Микола Васильович, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, завідувач лабораторії, м. Київ

кандидат технічних наук, доцент Фролов Олександр Олександрович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, доцент, м. Київ

Провідна установа

Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ механіки вибуху,

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться „10” червня 2004 р. об 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .802.01 в Національному науково-дослідному інституті охорони праці за адресою: 04060, м. Київ-60, вул. Вавілових, 13

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, м. Київ-60, вул. Вавілових, 13

Автореферат розісланий „05” травня 2004 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток народного господарства нашої країни неможливо здійснити без раціонального використання природних ресурсів і підвищення ефективності роботи підприємств гірничодобувної галузі. На кар'єрах, що розробляють скельні гірські породи, вибухові роботи є вирішальною ланкою, яка багато в чому визначає ефективність усіх подальших технологічних процесів добування й переробки корисних копалин.

Сучасний етап розвитку добування і переробки корисних копалин на підприємствах характеризується прагненням підвищити ефективність технологічних процесів за рахунок більш інтенсивного дроблення порід вибухом. У даний час найпоширенішим методом підвищення інтенсивності руйнування гірських порід є збільшення питомої витрати вибухових речовин (ВР). Проте в умовах високої вартості ВР і жорстких обмежень із забруднення атмосфери цей шлях не є раціональним. Необхідно також відзначити той факт, що досі коефіцієнт перетворення енергії вибуху в механічну роботу з руйнування гірських порід усе ще залишається дуже низьким (5-10%). У зв'язку з цим розробка раціональних методів ініціації та конструкцій свердловинних зарядів, які, врешті-решт, дозволяють підвищити ефективність вибухового руйнування гірських порід, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до напряму досліджень, які проводилися на кафедрі "Технічна механіка" Кременчуцького державного політехнічного університету, та є складовою частиною держбюджетних НДР, що виконувалися згідно постанови Міністерства освіти і науки України "Розробка способів підвищення ефективності вибухового і механічного дроблення гірських порід при виробництві щебеня" (2Д/99 – ТМ, № ДР 0199U004066), "Дослідження впливу газодинамічних процесів при детонації на механізм вибухового тріщиноутворення" (5Д/02 - ТМ, № ДР 0102U000742), в яких автор брав участь як виконавець.

Основна ідея роботи полягає в посиленні ефекту багаторазового навантаження середовища за рахунок асиметричної багатоточкової ініціації циліндричних зарядів і збільшення нейтралізуючої здатності матеріалу забивки.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності дії вибуху циліндричних зарядів ВР при руйнуванні гірських порід з одночасним зниженням викиду шкідливих газів у атмосферу кар'єру, яке досягається за рахунок удосконалення конструкцій циліндричних зарядів ВР.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі передбачене вирішення наступних задач:

- теоретично оцінити вплив кількості та просторового розташування ініціаторів, а також порожнин у циліндричному заряді на розподіл напруг у середовищі при вибуху;

- у лабораторних і промислових умовах дослідити вплив параметрів багатоточкової ініціації на інтенсивність руйнування гірських порід;

- установити вплив конструкції циліндричного заряду зі спеціальною забивкою на зміну гранулометричного складу зруйнованої породи і об’єму шкідливих газів, що викидаються в атмосферу;

- експериментально оцінити ефективність дії циліндричних зарядів зі спеціальною забивкою для вибухового руйнування гірських порід;

- розробити раціональні конструкції циліндричних зарядів зі спеціальною забивкою для вибухового руйнування гірських порід.

Об'єкт досліджень – вибухове руйнування гірських порід циліндричними зарядами ВР.

Предмет досліджень – напружено-деформований стан середовища при вибуху; конструкція циліндричного заряду ВР; склад шкідливих газів, що викидаються в атмосферу при вибуху.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний метод досліджень, що включає такі загальнонаукові методи, як спостереження та експеримент, порівняння, методи теорії пружності, математичне і фізичне моделювання, методи математичної статистики, техніко-економічного аналізу. При виконанні експериментальних досліджень застосовані сучасні методи і засоби реєстрації швидкоплинних процесів.

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

1. Зміщення бойовиків (ініціаторів) циліндричного заряду відносно вісі свердловини посилює ефект багаторазового навантаження середовища і підвищує на 6-8% ефективність вибухового руйнування гірських порід.

2. Використання як матеріалу забивки солей важких металів (відходів промислового виробництва) збільшує на 10 – 12% ефективність вибухового руйнування гірських порід і сприяє зниженню в 1,3 разу викиду шкідливих газів у атмосферу кар'єру.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше встановлено вплив просторового розташування ініціаторів у свердловинному заряді на зміну динамічних напруг у середовищі при вибуху. Отримано, що зміщення бойовиків відносно вісі заряду дозволяє, порівняно з їхнім розміщенням уздовж вісі, збільшити зону руйнування на 15-20%.

2. Уперше теоретично встановлено вплив асиметричного розташування порожнин у заряді свердловини на характер розподілу зміщення середовища і напруг при вибуху. Показано, що наявність порожнин підвищує динамічну нерівномірність навантаження гірської породи, що руйнується.

3. Уперше експериментально доведено, що зміщення бойовиків відносно вісі свердловини дозволяє створювати підчас вибуху в стінках свердловини дві додаткові зони з підвищеною тріщинуватістю, розташування яких може бути як між бойовиками, так і зовні їх.

Обґрунтовування і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням фундаментальних положень теорії пружності; застосуванням сучасних методів і устаткування для реєстрації швидкоплинних процесів; достатньою кількістю виконаних лабораторних і промислових експериментів.

Наукове значення роботи полягає в установленні закономірності зміни напруг у середовищі при вибуху циліндричного заряду залежно від просторового розташування ініціаторів, а також у розробці спеціальної забивки, що сприяє підвищенню щільності замикання продуктів детонації у свердловині і зниженню викиду шкідливих газів вибуху в атмосферу кар'єру.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Обґрунтовані параметри просторового розміщення ініціаторів при багатоточковій ініціації циліндричного заряду ВР, дотримання яких дозволяє підвищити ефективність вибухового руйнування гірської породи.

2. Установлено вплив розмірів бойовика і діаметра свердловини на ефективність руйнування середовища при використанні циліндричних зарядів ВР з асиметричною багатоточковою ініціацією.

3. Обґрунтовано склад матеріалу забивки із газонейтралізуючої композиції на основі солей важких металів (патент України № 30326А від 15.11.2000 р.), розміщення якої в нижній частині забивки циліндричного заряду підвищує ефективність вибуху і знижує кількість шкідливих газів вибуху, що викидаються в атмосферу кар'єру.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтовуванні раціональних параметрів циліндричних зарядів ВР з багатоточковою ініціацією, а також складу і розташування в заряді газонейтралізуючої композиції, за рахунок чого досягається зниження діаметра середнього шматка зруйнованої породи на 8 – 25% і зменшення в 1,3 разу кількості шкідливих газів, що викидаються в атмосферу кар'єру.

Реалізація результатів роботи. Циліндричні заряди з асиметричною багатоточковою ініціацією пройшли дослідну перевірку в умовах ВАТ “Полтавський ГЗК” і Рижевського гранітного кар'єру. При відбійці 320 тис. м3 гірської породи отримано економічний ефект у сумі 100,6 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації щодо їхньої реалізації.

Конкретний особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві, полягає в наступному: розробка програми розрахунку і дослідження впливу просторового розташування бойовиків на зміну напруг, що виникають у середовищі при вибуху [2, 3], обґрунтовуванні можливості зниження виходу шкідливих газів за рахунок хімічної реакції з нейтралізуючою композицією [7, 15], підборі складу нейтралізуючої композиції [11, 14], постановці та проведенні лабораторних і промислових експериментів, обробці та аналізі їхніх результатів [5, 8, 9, 13].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень з дисертаційної роботі доповідалися і обговорювалися на: Українській конференції "Моделювання і дослідження стійкості систем" (м. Київ, 1996), ІІІ Українській науково-технічній конференції з механіки ґрунтів і фундаментобудування (м. Одеса, 1997), Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми створення нових машин і технологій" (м. Кременчук, 1997-2000 рр.), Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ століття" (м. Донецьк, 1999), Міжнародній науково-технічній конференції "Техногенна безпека реґіонів і механіка вибухового руйнування гірських порід" (м. Севастополь, 2002), ІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Механіка і технологія вибухового руйнування гірських порід" (м. Євпаторія, 23-28 червня 2003 р.), у повному обсязі доповідалися на семінарах Національного НДІ охорони праці, Інституту геотехнічної механіки НАН України, Кременчуцького ДПУ та ін.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 15 друкованих роботах, серед яких 12 статей опубліковано в наукових спеціалізованих, затверджених ВАК України, виданнях, 2 – матеріали конференцій, а також отриманий 1 патент України.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновку, викладених на 169 сторінках машинописного тексту, в тому числі містить 38 рисунків, 25 таблиць, крім того, список використаних джерел, що включає 103 найменування, а також додаток на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі розглянуті та узагальнені результати досліджень, а також досвід застосування різних конструкцій і способів ініціації циліндричних зарядів ВР при відкритій розробці корисних копалин у вітчизняній і зарубіжній практиці ведення вибухових робіт, зроблено критичний аналіз їхньої ефективності при руйнуванні гірських порід.

Вибір напрямів досліджень проведений на основі виконаного аналізу з урахуванням результатів теоретичних і експериментальних робіт, присвячених питанням управління енергією вибуху, вибору раціональних конструкцій циліндричних зарядів вибухових речовин і способів їхньої ініціації, викладених у працях вітчизняних учених: чл.-кор. НАН України Є. І. Єфремова, професорів Є. Г. Баранова, О. О. Вовка, В. В. Воробйова, В.Д. Воробйова, М. Ф. Друкованого, В. М. Коміра, В. Г. Кравца, М. В. Крівцова, Р. С. Крисина, І. А. Лучка, Ю. С. Меца, В. Д. Петренка, К. Н. Ткачука, А. В. Шапуріна, П. Й. Федоренка, а також зарубіжних дослідників І. Аренса, Н. Ф. Жарікова, М. Кука, І. Лангефорса, В. М. Мосинца, М. П. Сєїнова та ін.

У питаннях зниження шкідливої дії вибуху, зокрема – зменшення кількості отруйних газів вибуху, що викидаються в атмосферу, великий внесок зробили такі вітчизняні вчені, як чл.-кор. НАН України Є. І. Єфремов, професори П. В. Бересневич, М. В. Крівцов, К. Н. Ткачук та ін.

Проте, незважаючи на досягнуті певні успіхи в удосконаленні методів управління вибуховим руйнуванням гірських порід, ефективність вибуху все ще залишається низькою. При цьому на кар'єрах використовуються найчастіше суцільні циліндричні заряди з традиційною ініціацією, а до вибору матеріалу забивки підходять тільки з точки зору забезпечення щільності замикання продуктів вибуху в свердловині. Відповідно до цього, були сформульовані вищевикладені мета дисертаційної роботи і задачі досліджень.

Другий розділ дисертації присвячений теоретичному аналізу полів зміщення і напруг, що виникають у пружному середовищі при вибуху циліндричного заряду з різними варіантами просторового розташування ініціаторів.

Для досягнення даної мети подовжений заряд у роботі змодельований у вигляді декількох шарів зосереджених зарядів. Хвиля напруг, що виникає при вибуху одного зосередженого заряду, описується єдиною системою узагальнених рівнянь:

;

; (1)

,

де - величина переміщення у напрямку розповсюдження хвилі, м; и - радіальні й тангенціальні напруги, Па; - щільність середовища, кг/м3; - поточний час, с; - поточний радіус, м; - модуль пружності, Па; - коефіцієнт Пуассона.

Передбачаємо, що в початковий момент часу навантаження відсутнє, напруги і швидкості зміщення дорівнюють нулю. На межі зарядної порожнини тиск є відомою функцією

(2)

де - коефіцієнт згасання тиску газоподібних продуктів детонації в порожнині, с-1, - початковий тиск продуктів детонації, Па.

При теоретичному аналізі розглядали три основні розрахункові схеми оцінки полів зміщення і напруг залежно від розташування ініціаторів (рис.1):

- у початковий момент відбувається детонація всього заряду (всіх моделюючих сфер) (рис. 1, схема 1, миттєва детонація);

- у початковий момент здійснюється ініціація трьох сфер, розташованих на вісі заряду (рис. 1, схема 2, точкова вісьова детонація);

- у початковий момент ініціюються три сфери, що лежать у площині, що проходить через вісь циліндричного заряду, на межі розділу “середовище-заряд”, причому кінцеві сфери зміщені в одну сторону, а центральна – в протилежну (рис. 1, схема 3, асиметрична ініціація).

Виконані по трьом схемам розрахунки засвідчили, що при розташуванні ініціаторів із зміщенням відносно вісі заряду дозволяє надати навантаженому середовищу періодичний рух (рис. 2). При цьому спостерігаються декілька яскраво виражених “піків”, перший з яких по амплітуді рівний максимальному зміщенню для випадку миттєвої детонації і на 10 – 25% перевищує максимальне зміщення при вісьовому розташуванні ініціаторів (із збільшенням швидкості детонації ця різниця зростає). Із збільшенням швидкості детонації ВР кількість “піків” у залежності зміщення від часу зменшується більшою мірою для випадку вісьової детонації, ніж для випадку асиметричної ініціації. Крім того, розрахунками встановлено, що зміщення бойовиків відносно вісі істотно впливає на розподіл напруг у ближній зоні. Так, на відстані вісьове розташування ініціаторів збільшує загальний імпульс на 10%, при асиметричному розташуванні ініціаторів це збільшення складає 21% (порівняно з миттєвою детонацією); на відстані ці показники рівні 21% і 24%; на відстані - 10% і 12%; на відстані - 5% і 7% ( - радіус заряду, м).

Відстань між бойовиками неоднозначно впливає на характер зміщення середовища при вибуху (рис. 3), тому їхня раціональна кількість у циліндричному заряді встановлювалася в роботі експериментальним шляхом.

Виконаний аналіз свідчить, що незначне зміщення по висоті суміжних бойовиків відносно один одного дозволяє в широких межах змінювати відстань від точки ініціації до точки зустрічі детонаційних хвиль. Якщо ця точка буде співпадати з точкою сполучення стінки свердловини та її дна, то це буде сприяти створенню в цій зоні початкову систему тріщин, що, зрештою, приведе до зменшення величини перебуру. Розрахунки засвідчили, що це досягається при виконанні наступної умови

(при ), (3)

де - відстань між бойовиками, м; - величина перебуру, м, - діаметр свердловини, м.

У роботі також розглянутий вплив порожнин у заряді на зміну зміщення середовища і величин напруг. Аналіз результатів розрахунків засвідчив, що зміщення порожнин відносно вісі свердловини дозволяє підвищити динамічну нерівномірність навантаження середовища вздовж вісі заряду. Для спрощення процесу формування даних зарядів доцільно порожнини заповнювати речовиною, здатною знижувати концентрацію шкідливих газів, що утворилися при вибуху. Таким чином, це дозволить одночасно вирішити дві задачі: створити динамічно нерівномірне навантаження середовища і зменшити кількість шкідливих газів, що викидаються в атмосферу при вибуху.

Використання як матеріалу наповнювача деяких відходів виробництв промислових підприємств, здатних нейтралізувати шкідливі гази вибуху, дозволить не тільки поліпшити екологічну обстановку в кар'єрі, але і знизити витрати на утилізацію відходів. Теоретичний аналіз (табл. 1) засвідчив, що у процесі знешкодження доцільно застосовувати дешеві компоненти каталізуючих речовини, які містяться у ряді промислових відходів металургії та гірничодобувної промисловості (шлами пилогазоочистки плавильних печей і відходи збагачення марганцевої руди, що містять 20 – 45 % активних оксидів марганцю і заліза).

Таблиця 1

Склад газоподавлюючих домішок на основі відходів деяких виробництв

Кисне-вий баланс ВР, % | Маса компонента, г/(кг ВР) | Загальна маса домішок, г/(кг ВР)

відходи збагачення марганцевої руди | шлами пило- газоочистки плавильних печей | шлами водоочистки травильних розчинів | металур-гічний дрібнозмеле-ний шлак

- 0,2

+ 4,5

+ 9,25 | 250

220

180 | 320

230

150 | 180

110

70 | 130

200

330 | 880

760

730

У третьому розділі дисертації подані результати лабораторних досліджень ефективності багатоточкової ініціації. Експерименти, виконані на плоских моделях (оргскло 200?200Ч40 ?м), засвідчили, що кількість і просторове розташування ініціаторів істотно впливають на характер і розміри зони тріщиноутворення. Так, при використанні одного ініціатора її довжина дорівнює 74-76 мм, ширина – 40-42 мм; при трьох ініціаторах, розташованих уздовж вісі, ці параметри відповідно рівні 72-75 мм і 48-50 мм; при трьох асиметрично розташованих ініціаторах – 85-88 мм і 46-50 мм. Вимірювання площі зони тріщиноутворення засвідчило, що за рахунок використання асиметричної ініціації вона зростає в 1,4 разу – порівняно з точковою ініціацією і в 1,2 разу порівняно з багатоточковим вісьовим.

На моделях (300?300Ч300 мм) були проведені експерименти щодо дослідження характеру руйнування середовища при багатоточковій ініціації (табл. 2).

Таблиця 2

Вплив діаметра шпуру на ефективність руйнування моделі зарядом із багатоточковою ініціацією

Схема розташування ініціаторів | Діаметр середнього шматка (мм) зруйнованої моделі при співвідношенні діаметра ініціатора до діаметра шпуру

0,1 | 0,125 | 0,17 | 0,25 | 0,5

Уздовж вісі шпуру | 39,3 | 38,5 | 37,4 | 37,2 | 38,6

Із зміщенням відносно вісі шпуру | 38,2 | 37,4 | 36,3 | 36,1 | 38,2

У першій серії експериментів оцінювали вплив розмірів ініціатора (його діаметра) на зміну діаметра середнього шматка зруйнованої моделі. Обробка результатів експериментів засвідчила, що діаметр бойовика повинен складати (1/6 – 1/4) діаметра свердловини.

У другій серії експериментів досліджували вплив кількості ініціаторів та їхнього просторового розташування на зміну гранулометричного складу зруйнованих вибухом моделей. Аналіз результатів експериментів засвідчив, що асиметричне розташування ініціаторів у шпуровому заряді дозволяє на 23% знизити діаметр середнього шматка (порівняно з точковим) і майже на 5% - порівняно з багатоточковим вісьовим. При цьому вихід дрібних фракцій (0-10 мм) зростає порівняно з точковою ініціацією в 1,8 разу, порівняно з багатоточковим вісьовим – в 1,15 разу. Вихід фракцій (> 60 мм) знижується відповідно в 1,7 разу і в 1,25 разу. Раціональна кількість ініціаторів для умов даних експериментів складає 3-5 шт. Подальше їхнє збільшення так само призводить до зменшення діаметра середнього шматка, проте швидкість росту відносної величини цього параметра сповільнюється.

Це дозволяє рекомендувати наступну залежність для визначення раціональної кількості бойовиків у заряді свердловини

, (4)

де - довжина свердловини, наповнена ВР (у діаметрах свердловини); - кількість бойовиків (шт.) на умовну одиницю довжини свердловини (змінюється в межах від 3 до 5, при розрахунку свердловин першого ряду і міцних порід необхідно вибрати більше значення, для слабких – менше).

Як уже наголошувалося, розташування суміжних бойовиків на незначній відстані один від одного дозволяє створювати в середовищі зони з більш інтенсивним навантаженням. Ураховуючи це, в роботі запропоновано у верхній частині заряду розташовувати бойовики зі зміщенням, використання яких дозволить поліпшити дроблення верхньої частини масиву (рис. 4). Для перевірки ефективності даних конструкцій і відпрацювання їхніх параметрів були проведені експерименти на об'ємних піщано-цементних моделях, при виготовленні яких верхня частина забарвлювалася в червоний колір.

Аналіз гранулометричного складу зруйнованої верхньої частини засвідчив, що мінімальний діаметр середнього шматка досягається при величині вертикального зміщення ініціаторів (0,75 – 1,0). Використання трьох ініціаторів дозволяє зменшити діаметр середнього шматка на 24% - порівняно з розташуванням ініціаторів уздовж вісі та на 8% - порівняно з використанням двох зміщених відносно один одного ініціаторів.

Нейтралізуючу речовину можна різним чином розташовувати в свердловині, що складно врахувати при теоретичному аналізі. Для уточнення цих питань, а також для розробки раціональної конструкції заряду ВР з нейтралізуючими домішками були виконані лабораторні дослідження. При їхньому проведенні використовували розроблені нами склади комплексних нейтралізуючих домішок (табл. 3).

Експерименти, в яких домішки розташовувалися в нижній частині забивки, засвідчили, що збільшення відносної кількості домішок з 70 % до 100не призводить до істотної зміни виходу токсичних газів, тобто за даних умов з продуктами вибуху встигає прореагувати тільки певна кількість нейтралізуючого компонента (у нашому випадку - не більше 70 % від маси ВР). При цьому ступінь поглинання монооксиду вуглецю склав 40 – 50 %, а оксидів азоту – 50 – 60% від їхнього первинного вмісту в продуктах детонації (склади № 3 і № 4).

Таблиця 3

Розроблені склади нейтралізуючої композиції на основі відходів промислових підприємств Кременчуцького регіону

Склад нейтралі-зуючої композиції | Зміст, % | шлами пило- газоочистки, вологіметалургій-ний дрібно-змелений шлак | вологі шлами очистки відпрацьованих травильних розчинів | гідроліз-ний лігнін

Склад № 1 | 40 | 20 | 20 | 20 | Склад № 2 | 20 | 40 | 30 | 10 | Склад № 3 | 40 | 15 | 40 | 5 | Склад № 4 | 35 | 30 | 35— |

Крім того, лабораторні дослідження дозволили встановити, що використання як забивки солей важких металів, що є основою розробленої нейтралізуючої композиції, сприяє зниженню в 1,3 разу викиду шкідливих газів та на 10 – 12% збільшує ефективність вибухового руйнування гірських порід.

Проведені експерименти також засвідчили, що для забезпечення повноти плинності реакцій нейтралізуючих домішок з продуктами вибуху їх доцільно змішувати з ВР або розташовувати у вигляді проміжків у подовженому заряді. При цьому ефективність нейтралізації порівняно з розташуванням у вигляді забивки зростає в першому випадку на 10 – 35 %, у другому – на 5 – 15 %.

У четвертому розділі наведені результати дослідно-промислових експериментів і розроблені раціональні конструкції зарядів свердловин. Дослідження проводилися на кар'єрах Кременчуцького реґіону.

Аналіз результатів масових вибухів свідчить, що кількість і розташування бойовиків відносно вісі свердловини істотно впливає на інтенсивність вибухового руйнування гірських порід: при 3-х бойовиках (вісьова ініціація) діаметр середнього шматка зменшився на 9%, при 5-ти – на 12,8%, при 7-ми – на 16% (порівняно з традиційним ініціюванням). Зміщення бойовиків відносно вісі приводить до того, що зменшення діаметра середнього шматка виявляється ще більш істотним: при 3-х бойовиках – на 10,1%; при 5-ти – на 17%; при 7-ми – на 22%.

Виконані промислові експерименти свідчать, що використання багатоточкової різноспрямованої ініціації дозволяє підвищити ступінь руйнування гірської породи вибухом. Отже, можна досягти тієї самої якості вибухового руйнування, збільшивши при цьому сітку свердловин. Аналіз результатів промислових досліджень засвідчив, що при використанні багатоточкової різноспрямованої ініціації можливе розширення сітки свердловин на 8% (з 6,0?6,0 м на 6,25?6,25 м).

В умовах Рижевського гранітного кар'єру були виконані експерименти щодо дослідження впливу різноспрямованої ініціації верхньої частини заряду свердловини на вихід негабариту. Аналіз гранулометричного складу зруйнованої гірської маси свідчить, що при вісьовому розташуванні 3-х бойовиків у верхній частині заряду діаметр середнього шматка знижується порівняно з традиційною ініціацією в 1,2 разу; при розташуванні бойовиків у вершинах рівнобедреного трикутника – в 1,4 разу.

В умовах цього самого кар'єру були проведені експерименти за оцінкою ефективності нейтралізуючих домішок у промислових умовах. Як останній, використовували склад № 4, який розміщували в заряді у вигляді проміжків, розташованих у шаховому порядку. Заміри концентрації шкідливих газів після вибуху проводили газоаналізатором хімічного типу ГХ–М. Обробка результатів експериментів указує на те, що введення домішок дозволяє в 1,5 – 2 разу зменшити викид шкідливих газів у атмосферу кар'єру і це досягається при кількості нейтралізуючого компонента, рівній 30 % маси ВР у свердловині.

При дослідних вибухах на Кременчуцькому кар'єроуправлінні "Кварц" нейтралізуючі домішки розташовувалися в нижній частині забивки. Заміри концентрації шкідливих газів після вибуху свідчать, що в даному випадку загазованість атмосфери кар'єру знижується в 1,3 – 1,5 разу (необхідна для цього кількість домішок складає 30 – 40 % маси ВР у свердловині).

Аналіз результатів промислових експериментів дозволив розробити раціональні конструкції зарядів свердловин ВР з багатоточковою ініціацією і різними варіантами розміщення нейтралізуючих домішок.

Виконані техніко-економічні розрахунки свідчать, що тільки по Кременчуцькому реґіону (при висадженні за рік 40 – 42 тис. свердловин) очікувана величина зниження збитку навколишньому середовищу при використанні в заряді свердловини нейтралізуючих домішок складе 2670 тис. грн. Економічний ефект від застосування багатоточкової різноспрямованої ініціації при висадженні в умовах ВАТ "Полтавський ГЗК" 1 млн. м3 гірської маси складе 327 тис. грн.

З використанням асиметричної багатоточкової ініціації на ВАТ "Полтавський ГЗК" і Рижевському гранкар'єрі було відбито 320 тис. м3 гірської маси та отриманий економічний ефект у сумі 100,6 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі викладено нове рішення актуальної науково-технічної задачі підвищення ефективності вибухового руйнування гірських порід вибухом і зниження кількості шкідливих газів, що викидаються в атмосферу при масових вибухах, засноване на посиленні ефекту багатократного навантаження гірської породи за рахунок асиметричної багатоточкової ініціації циліндричних зарядів зі спеціальною забивкою, що має нейтралізуючу здатність.

Основні наукові висновки і практичні рекомендації зводяться до наступного.

1. Як свідчить аналіз теоретичних і експериментальних досліджень вітчизняних та закордонних авторів, а також узагальнення практики виробництва вибухових робіт, сучасні методи підвищення ефективності дії вибухів циліндричних зарядів при руйнуванні скельних порід не в достатній мірі враховують процеси, що відбуваються з ВР в свердловинному циліндричному заряді на стадії їх вибухового перетворення, а також ролі матеріалу забивки на ефективність вибуху і зниження кількості шкідливих газів, що викидаються в атмосферу кар'єру.

Тому розробка раціональних конструкцій свердловинних зарядів і методів їх ініціації, складів матеріалу забивки, які дозволяють підвищити ефективність руйнування гірських порід з одночасним зниженням газових викидів в атмосферу являють велику наукову і практичну цінність.

2. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень встановлено, що при асиметричній багатоточковій ініціації циліндричного заряду характер розподілу зміщень і напруг в руйнованому середовищі характеризується істотною нерівномірністю. Доведено, що зміщення ініціаторів щодо вертикальної вісі заряду дозволяє посилити ефект багатократного навантаження руйнованого середовища. Наявність асиметрично розташованих порожнин в циліндричному заряді підвищує динамічну нерівномірність навантаження середовища уздовж вісі свердловини.

3. Установлено, що при асиметричному розташуванні бойовиків загальний імпульс напруг на відстані 5, порівняно з миттєвою детонацією заряду зростає на 21%, а порівняно з багатоточковою осьовою ініціацією - на 10%, на відстані 10 ці показники відповідно рівні - 24% і 21%, на відстані 15 ці показники відповідно рівні - 12% і 10%.

4. Уперше отримана залежність для розрахунку параметрів циліндричного заряду з різноспрямованою багатоточковою ініціацією, при яких досягається максимальне навантаження середовища в ділянці сполучення стіни свердловини та її дна.

5. Уперше експериментально встановлений взаємозв'язок впливу співвідношення діаметра свердловини і діаметра бойовика на інтенсивність вибухового руйнування середовища. Виявлено, що мінімальний діаметр середнього шматка зруйнованої гірської маси досягається при співвідношенні діаметра ініціатора і заряду 1:5, а відстань між бойовиками уздовж вісі свердловини повинна визначатися залежністю (3.2).

6. Доведена можливість підвищення ефективності масових вибухів з одночасним зниженням викиду шкідливих газів у атмосферу кар'єру за рахунок вибору матеріалу забивки з газонейтралізуючої композиції на основі солей важких металів (патент України на винахід № 30326 А від 15.11.2000р.), до складу якої входять відходи промислових підприємств (оксиди заліза, з'єднання марганцю).

7. Застосування нейтралізуючої композиції на основі відходів промислових підприємств у вигляді складової частини заряду свердловини ВР дозволяє не тільки знизити викиди шкідливих газів, але і утилізувати відходи промислових підприємств. Виконані розрахунки засвідчили, що по Кременчуцькому регіону очікувана величина річного збитку, якого можна запобігти, складає 2,67 млн. грн.

Список опублікованих праць за темою дисертації:

1. Щетинин В.Т. Моделирование спирального линейного заряда // Проблемы создания новых машин и технологий. Сборник трудов региональной научно-технической конференции в г. Кременчуге 23-24 января 1996 г. – Кременчуг: КГПИ. – 1996. – С. 34-35.

2. Щетинин В.Т., Славко Г.В. Моделирование напряжений в упругой среде при взрыве криволинейного заряда // Украинская конференция “Моделирование и исследование устойчивости систем”. Тезисы докладов конференции. 20-24 мая, 1996 г. – Киев – С.128.

3. Славко Г.В., Щетинин В.Т. Исследование напряжений, создаваемых цилиндрическим зарядом с точечной детонацией // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды. Вып. 2., Ч.II. – Кременчуг: КГПИ/ - 1997. – С. 55-61.

4. Щетинин В.Т. Влияние способа инициирования удлиненного заряда ВВ на параметры напряженно-деформированного состояния грунта // Механика грунтов и фундаментостроение. Сборник трудов ІІІ Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроение. – Одеса, 1997. т.1. – С. 131-132.

5. Воробьев В.В., Щетинин В.Т. Влияние пространственного расположения инициаторов в шпуре на эффективность взрывного разрушения // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды. –– Кременчук: КГПИ - 1997. Вып. 2., Ч.3. – С. 52-55.

6. Щетинин В.Т. Анализ возможностей снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу при взрыве // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды. - Р.4. – Кременчуг: КГПИ - 1998. Вып. 1. – С. .

7. Воробьев В.В., Яценко А.М., Щетинин В.Т. К вопросу о выборе рационального состава газоподавляющей добавки к ВВ // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды. - Р.4. – Кременчуг: КГПИ - 1998. Вып. 1. – С. 320-322.

8. Воробйов В.В., Щетинiн В.Т. Про рацiональне розташування бойовикiв при багатоточковому iнiцiюваннi // Вiдомостi Академiї гiрничiх наук України.-1999. –№1. - С. 65-66.

9. Воробьев В.В., Щетинин В.Т. Повышение эффективности взрывного разрушения крупноблочных массивов // Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века. Сборник трудов международной научно-технической конференции в г. Севастополе 13-18 сентября 1999 г. – Донецк: ДонГТУ - 1999. – С. 153-155.

10. Щетинин В.Т. К вопросу о рациональном расположении боевиков при многоточечном инициировании // Проблемы создания новых машин и технологий. Сборник научных трудов КГПУ. – Кременчуг: КГПИ - 1999. Вып. 2/1999(7) – С. 414-416.

11. Воробйова Л.Д., Щетинiн В.Т. Вплив складу пилогазоподавляючих добавок до вибухових речовин на вихiд токсичних газiв пiд час вибуху // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПИ - 2000. Вып. 1/2000(8). – С. 606-608.

12. Щетинiн В.Т. До питання про вибiр матерiалу для набiйки свердловинних зарядiв // Вiсник НТУ Украiни КПI. Серiя. Гiрництво. Збiрник наукових праць. – К.: НТУУ КПI ЗАТ Техновибух - 2000. – С. 68-71.

13. Воробйов В.В., Щетинин В.Т. Промышленные исследования эффективности многоточечного инициирования скважинных зарядов // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПИ - 2000. Вып. 2/2000(9). – С. 504-506.

14. Воробйова Л.Д., Помазан М.В., Щетинин В.Т. Промышленные исследования влияния нейтрализующей добавки в заряде ВВ на изменение концентрации вредных газов в атмосфере карьера // Вiсник КДПУ. Науковi працi КДПУ. – Кременчук: КДПУ - 2002 – Вип. 2(13). – С. 31-32.

15. Пат. 30326 А Україна, 6 С 06В 23/02. Порошкова композиція для нейтралізації отруйних газів при вибуху / Щетинін В.Т., Воробйов В.В., Яценко О.М. - №98021025; Заявлено 26.02 1998; Опубл. 15.11.2000, Бюл. №6 - II. –2 с.

АНОТАЦІЯ

Щетинін В.Т. Підвищення ефективності дії вибухів циліндричних зарядів вибухових речовин з багатоточковим ініціюванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 – Фізичні процеси гірничого виробництва. – Національний науково-дослідний інститут охорони праці Державного комітету України з нагляду за охороною праці, Київ, 2004.

Метою роботи є підвищення ефективності дії вибуху циліндричних зарядів ВР при руйнуванні гірських порід з одночасним зниженням викиду шкідливих газів в атмосферу кар’єру, що досягається за рахунок удосконалення конструкцій циліндричних зарядів ВР з багатоточковим ініціюванням.

Теоретично і експериментально доведено, що зміщення бойовиків відносно вісі заряду збільшує ефект багаторазового навантаження. Встановлені раціональні співвідношення між діаметрами свердловини та бойовика, при якому середній діаметр зруйнованої гірської маси має найменше значення. Застосування різноспрямованого багатоточкового ініціювання дозволяє на 8-10% збільшити сітку свердловин. Доведено, що розміщення двох або трьох бойовиків заряду в його верхній частини зі зміщенням відносно вісі дозволяє покращити вибухове руйнування верхніх шарів масиву.

Обґрунтовано раціональний склад газонейтралізуючої композиції, використання якої у циліндричному заряді дозволяє зменшити кількість шкідливих газів вибуху, що викидаються в атмосферу кар’єру. Встановлено, що складовими даної композиції можуть бути відходи промислових підприємств (солі важких металів). Доведено, що розташовувати її доцільно як забивку циліндричного заряду. В цьому випадку кількість шкідливих газів, що викидаються в атмосферу, зменшується в 1,3 рази.

Основні результати роботи впроваджені на карєрах Кременчуцького реґіону.

Ключові слова: багатоточкове ініціювання, бойовик, вибух, вибухова речовина, вісь, газонейтралізуюча композиція, руйнування, свердловина, циліндричний заряд, шкідливі гази.

АННОТАЦИЯ

Щетинин В.Т. Повышение эффективности действия взрыва цилиндрических зарядов взрывчатых веществ с многоточечным инициированием. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – Физические процессы горного производства – Национальный научно-исследовательский институт охраны труда, г. Киев, 2004.

Диссертация посвящена повышения эффективности действия взрыва цилиндрических зарядов взрывчатых веществ (ВВ) при разрушении горных пород с одновременным снижением выброса вредных газов в атмосферу карьера, которое достигается за счет усовершенствования конструкций цилиндрических зарядов ВВ с многоточечным инициированием.

В работе впервые выполнен теоретический анализ влияния пространственного расположения инициаторов и расстояния между ними при многоточечном инициировании на изменение смещения и напряжений в упругой среде при взрыве. Установлено, что смещение боевиков цилиндрического заряда относительно оси скважины усиливает эффект многократного нагружения среды, увеличивает общий импульс напряжений и повышает на 6 – 8% эффективность взрывного разрушения горных пород.

Получена зависимость для расчета параметров цилиндрического заряда с разнонаправленным многоточечным инициированием, при которых достигается максимальное нагружение среды в области сопряжения стенки скважины и ее дна. Впервые экспериментально установлено, что минимальный диаметр среднего куска разрушенной горной породы достигается при соотношении диаметра инициатора и заряда как 1:5.

В работе доказано, что усиление эффекта многократного нагружения среды при взрыве может быть достигнуто за счет формирования пустот в цилиндрическом заряде. Заполнение пустот нейтрализующей композицией позволяет также снизить количество вредных газов, выбрасываемых в атмосферу карьера при взрыве. Экспериментально установлено, что расположение в нижней части забойки нейтрализующей композиции на основе солей тяжелых металлов позволяет в 1,3 раза уменьшить выброс вредных газов и за счет повышения плотности и запирания продуктов детонации в скважине на 10 – 12% увеличить эффективность взрывного разрушения горных пород.

Асимметричное расположение боевиков в верхней части заряда позволяет существенно повысить интенсивность взрывного разрушения верхних слоев отбиваемого блока.

Конструкция цилиндрического заряда с разнонаправленным многоточечным инициированием успешно прошла опытную проверку на карьерах Кременчугского региона.

Результаты исследований позволили обосновать рациональные конструкции удлиненных цилиндрических зарядов с многоточечным разнонаправленным инициированием.

Ключевые слова: многоточечное инициирование, боевик, взрыв, взрывчатое вещество, газонейтрализующая композиция, разрушение, скважина, цилиндрический заряд, вредные газы.

ABSTRACT

Shchetinin V.T. Efficient rise of explosive substances cylindrical charges action with multipoint initiation. - Manuscript.

The thesis is submitted for a Candidate’s degree of technical sciences on speciality 05.15.11 – Physical processes of mining. – National labour protection scientific and research Institute of Ukraine’s State committee on labour protection monitoring, Kyiv, 2004.

The object of the thesis is efficient rise of explosive substances cylindrical charges action when destroying rock with simultaneous decrease of quarry atmosphere pollution by noxious gases that is obtained due to improvement of explosive substances cylindrical charges design with multipoint initiation.

Firing-pins displacing of vertical axes of a charge increases the effect of many times loading that is the oretically and experimentally proved. Rational correlation of hole diameter and firing-pin when destructed rock average diameter having the latest value is determined. Multipoint initiation gives 8-10% increases of hole network. It is provide that placing of two or three firing-pins of charge in its upper positions with deplacing of vertical axes allows to improve explosive destruction of rock upper strata.

Rational mixture of gas neutralizing composition used in cylindrical charge decreasing noxious gases concentration in the atmosphere of an open pit is substantiated.

The composition components are determined, they may be industrial production waste (salts of heavy metals). It is rational to place it as padding of cylindrical charge. In this case noxious gases concentration in the atmosphere decreases in 1,3 times.

Basic outcomes of the thesis are applied in quarries of Kremenchuk region.

Key words: multipoint initiation, firing-pin, explosion, explosive substance, axis, gas neutralizing composition, destruction, pit, cylindrical charge, noxious gases.

Щетинін Віктор Терентійович

Підвищення Ефективності дії вибухів циліндричних зарядів вибухових речовин з багатоточковим ініціюванням

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”

Підписано до друку 15.04.2004 р.

Формат 60?80/16. Папір Xerox Paper. Друк. на різографі

Умовн. друк. арк. – 0,74

Замовлення № 74. Тираж 130 прим.

Видавництво ”Кременчук” Управління у справах преси

та інформації Полтавської адміністрації,

вул. Перемоги, 34, м. Кременчук 39614

Тел. (05366) 3-63-41,