Міністерство освіти і науки України

Кременчуцький державний| політехнічний університет

імені Михайла Остроградського

БЛІНКОВ ВОЛОДИМИР| ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 622.235

Удосконалення конструкцій набіЙок зарядів

вибухових речовин для підвищення ефективності та

Безпеки вибухових робіт

Спеціальність 05.15.11 – "Фізичні процеси| гірничого виробництва"|

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кременчук – 2007

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Комір Віталій Михайлович, Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технічної механіки, м. Кременчук.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Крисін Родерік Симонович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри відкритих гірничих робіт, м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, старший науковий| співробітник Никифорова Валентина Олексіївна Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, м. Дніпропетровськ.

Провідна установа: Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра відкритих гірничих робіт, м. Кривий Ріг.

Захист відбудеться “_7_”_червня_ 2007 р. о _12:30_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К45.052.02 у Кременчуцькому державному політехнічному університеті за адресою: вул. Першотравнева, 20,м. Кременчук, 39614.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського за адресою:

вул. Першотравнева, 20, м. Кременчук, 39614.

Автореферат розісланий “_7_”____травня____ 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, канд. техн. наук, доц. В.М. Чебенко

загальна характеристика роботи|

Актуальність теми. Підвищення інтенсивності дроблення гірських порід вибухом при зниженні питомих витрат вибухових речовин (ВР) покращує техніко-економічні показники гірничодобувних підприємств. Ефективність процесів дезінтеграції гірських порід за допомогою різних дій, у тому числі й вибухових, визначається їх енергетичними характеристиками. Енергетичний підхід закладено в основу розрахунку параметрів буровибухових робіт через питому витрату ВР. Крім загальної енергії, важливим факторомфактором, що впливає на результативність дій, є коефіцієнт передачі енергії заряду ВР у навколишнє середовище під час вибуху. Більшість розроблених методів керування дробленням гірських порід використовують інженерні рішення, до яких належать конструкції зарядів і складові їх елементи, зокрема набійки, що забезпечують збільшення коефіцієнта передачі енергії вибуху в руйновану частину|частку| масиву.

Набійки, які є |з'являючись,являючись| одним з конструктивних елементів свердловинних зарядів, зумовлюють не тільки|не лише| ефективність механічної дії вибуху на масив, але і безпеку робіт, особливо у вугільних шахтах, небезпечних щодо газу та пилу.

У результаті|унаслідок,внаслідок| численних|багаточисельних| досліджень установлено|установлено|, що поведінка і ефективність набійок під час вибуху залежить від фізико-механічних властивостей матеріалів, з яких вони формуються, їх дисперсності, зчеплення із|із| стінками зарядної порожнини та ін. Підвищення герметичності замикання зарядної порожнини дозволяє більш повно використовувати енергію вибуху і підвищити інтенсивність дроблення гірської|гірничої| маси без збільшення питомої витрати ВР|. Разом з тим|в той же час|, недостатньо уваги приділяється|уділяється,наділяється| розробці раціональних конструкцій набійок, вивченню їх поведінки під час вибуху.

Запобігання в забоях гірничих виробок шахт, небезпечних щодо газу та пилу, неконтрольованих вибухів метаноповітряної| суміші (МПС|) є|з'являється,являється| важливою|поважною| не лише|не лише| технічною, але і соціальною проблемою. З вище викладеного видно, що розробка нових конструкцій набійок, які підвищують безпеку робіт і коефіцієнт корисного використання енергії вибуху на дроблення, є|з'являється,являється| актуальним завданням|задачею|, розв'язання|розв'язання,вирішення,розв'язування| якого дозволяє одержати|отримати| значний економічний і соціальний ефект.

Зв'язок роботи з|із| науковими програмами, планами, темами. Робота виконана як складова частина наукових досліджень кафедри технічної механіки Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського відповідно до планових завдань|задавань| МОН| України: "Дослідження структури реакційної зони детонаційної хвилі вибухових речовин, розробка раціональних конструкцій зарядів" (10Д/05–ТМ, №ДР U000325), у якій автор брав безпосередню участь як виконавець.

Мета|ціль| і задачі досліджень. Метою|ціль| дисертаційної роботи є підвищення ефективності та безпеки вибухових робіт шляхом удосконалення конструкцій набійок зарядів ВР|.

Для досягнення вказаної мети в дисертаційній роботі передбачено вирішення наступних задач|слідуючі||задачі|:– 

експериментально дослідити деформацію і рух у циліндричній порожнині під дією статичного навантаження дисперсних матеріалів, які можуть бути використані як набійка зарядів ВР|;– 

установити вплив розмірів|великої| частинок|часток,часточок| дисперсної фази матеріалу набійки зарядів ВР| на повноту передачі енергії вибуху в навколишнє середовище;– 

на основі аналізу сил, які діють на набійки під час вибуху, розробити їх конструктивні елементи, що забезпечують збільшення герметичності зарядної порожнини та тривалості дії продуктів детонації;– 

обґрунтувати кількість і параметри розміщення в набійці інгібіторів та полум'ягасних| речовин для ефективного формування пиловибухозахисних| заслонів у забоях гірничих|гірничих| виробок шахт, небезпечних щодо газу та пилу;–

удосконалити методику розрахунку параметрів буровибухових робіт при проведенні гірничих|гірничих| виробок у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу.

Основна ідея роботи полягає в підвищення замикаючих властивостей набійок подовжених зарядів ВР| за рахунок включення|приєднання| до їх конструкції елементів різної жорсткості та створення|створіння| в них повітряних порожнин, сполучених|з'єднаних| подовжніми каналами із|із| зарядною камерою.

Об'єкт досліджень: процеси, що відбуваються|походять| в зарядній порожнині під час детонації подовжених зарядів ВР| залежно від замикаючих властивостей матеріалу набійки.

Предмет досліджень: поведінка дисперсних |матеріалів набійок, включаючи їх ущільнення і рух усередині зарядної порожнини, для розробки методів збільшення корисної роботи вибуху і запобігання займанню метаноповітряних| сумішей в умовах шахт небезпечних щодо газу та пилу.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використано методи:– 

теорії пружності та руйнування для оцінки енергетичних витрат|затрат| на знеміцнення| матеріалів при неруйнуючих імпульсних навантаженнях;– 

експериментальних досліджень на моделях з|із| гірських|гірничих| порід з використанням сучасних засобів|коштів| реєстрації швидкоплинних| процесів (високошвидкісна кінокамера ВСК-5|, електронні осцилографи С 8-14 та ін.);– 

математичної статистики для обробки результатів експериментальних досліджень;– 

техніко-економічного аналізу.

Основні наукові положення, які|становища| виносять на захист

1. Розосередження повітряними проміжками набійок свердловинних зарядів ВР| зменшує їх жорсткість і силові дії на них під час вибуху, що сприяє збільшенню в 1,25 – 1,3 рази тривалості замикання продуктів детонації в зарядній порожнині та підвищенню рівномірності дроблення гірської|гірничої| маси.

2. З'єднання|сполучення,сполука| зарядної порожнини подовжніми каналами з повітряними проміжками в розосереджених набійках свердловинних зарядів ВР| збільшує під час вибуху силові дії на масив у верхній частині|частці| уступу і зменшує вихід негабаритів на 12 – 15

3. Створення|створіння| в патронах для набійки, заповнених гелевими, пастоподібними, пилоподібними матеріалами, а також водними розчинами, що містять|утримують| інгібітори або полум'ягасні| компоненти, подовжніх повітряних порожнин завдовжки 0,5 – 0,7 довжини патрона і діаметром до 0,25 діаметра шпуру забезпечує створення|створіння| надійних пиловибухозахисних| заслонів у забоях гірничих|гірничих| виробок під час вибухових робіт.

Наукова новизна|новинка| отриманих результатів

1. Уперше|уперше| встановлено|установлено|, що при руйнуванні моделей з|із| гірських|гірничих| порід|із| збільшення розмірів|великої| частинок|часток,часточок| сипких матеріалів для набійки від 40 до 500 мкм| коефіцієнт передачі енергії вибуху в навколишнє середовище зростає в 1,3 рази.

2. Уперше|уперше| одержано|отримані| кореляційні залежності:–

середньої швидкості вильоту набійок з|із| пластичних матеріалів від їх вологості|вогкості|;–

величини статичних зусиль виштовхування сипких матеріалів з|із| циліндричної порожнини від висоти їх стовпа.

3. На основі запропонованого механізму дії вибуху на набійку зарядів ВР| обґрунтовано та експериментально підтверджено, що під дією ударної хвилі, породженої під час детонації ВР|, відбувається|походить| ущільнення і перекладання частинок|часток,часточок| матеріалу набійки, при цьому з|із| великих|великих| частинок|часток,часточок| розмірами 0,04–0,05 діаметра зарядної порожнини формується стійкий каркас, у якому заповнювачем є|з'являються,являються| дрібні|мілкі| фракції. Продукти детонації, що розширюються, діють на каркас, що сформувався, із|із| заповнювачем.

4. Удосконалена методика розрахунку параметрів буровибухових робіт при проведенні гірничих|гірничих| виробок у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу з урахуванням|з врахуванням| утворення пиловибухозахисних| заслонів з|із| полум'ягасних| компонентів, що містяться|утримуються| в набійці.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень|становищ|, висновків|виведень| і рекомендацій, сформульованих у дисертації, підтверджуються використанням методів теорії планування|планерування| експериментів; статистичними закономірностями при коефіцієнті кореляції не нижче 0,86; значним обсягом лабораторних і промислових експериментів із застосуванням сучасних засобів|коштів| реєстрації швидкоплинних| процесів; результатами перевірки одержаних|отриманих| залежностей| у лабораторних і промислових умовах, практичною реалізацією розробок.

Наукове значення роботи полягає у встановленні закономірностей формування зовнішніх імпульсних навантажень на руйнований масив і на набійки залежно від їх конструкцій, а також в обґрунтуванні способів ефективного створення|створіння| пиловибухозахисних| заслонів під час вибухових робіт в забоях гірничих|гірничих| виробок вугільних шахт небезпечних з газу та пилу.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

1) |слідуючому|у розробці нових конструкцій набійок, а саме:–

з повітряними порожнинами, сполученими|з'єднаними| подовжніми каналами із|із| зарядною камерою;–  

з|із| елементами різної жорсткості, що забезпечують збільшення тривалості вибухової дії на масив за рахунок щільнішого замикання продуктів детонації в зарядній порожнині;

2) у розробці нової методики визначення коефіцієнтів передачі енергії вибуху в масив за наслідками|за результатами| експериментальної оцінки зміни міцності| зразків|взірців| при неруйнуючих діях, що дозволило уникнути використання в розрахунках важковизначних| величин і зменшити трудомісткість досліджень.

3) у розробці конструкції набійок шпурових| зарядів ВР|, які забезпечують створення|створіння| пиловибухозахисних| заслонів у забоях гірничих|гірничих| виробок і запобігають виникненню і розповсюдженню|поширенню| в них можливих вибухів метаноповітряних| сумішей.

Практична цінність роботи полягає в обґрунтуванні раціональних конструкцій набійок шпурових| і свердловинних зарядів ВР|, що дозволяє на 8 – 10 % зменшити питому витрату ВР| при масових вибухах на кар'єрах без погіршення інтенсивності дроблення гірських|гірничих| порід і підвищити безпеку вибухових робіт у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу.

Реалізація результатів роботи. Рекомендації, за результатами|за результатами| досліджень, передані в ПП| "Акватол|" та впроваджені|запроваджені,впроваджені| на кар'єрах: Рижевському гранітному, Мало-Кохнівському, Крюківському, Редутського щебзаводу|, що дозволило понизити|знизити| вихід негабариту на вказаних підприємствах на 8 – 10% та одержати|отримати| сумарний річний економічний ефект у розмірі 49,8 тис. грн.

Рекомендації щодо використання пилоподібних набійок при проведенні гірничих|гірничих| виробок передані для використання в паспортах БВР| об'єднання "Донецькшахтопрохідка".

Особистий внесок| здобувача| в розробку| наукових| основ методів підвищення інтенсивності й рівномірності вибухового| дроблення| масивів гірських порід полягає у|в,біля| формуванні ідеї, мети|цілься|, основних| наукових| положень| і завдань| досліджень, висновків і рекомендацій. Конкретний особистий| внесок| здобувача| в роботи|, опубліковані в співавторстві, полягає в постановці й проведенні лабораторних| і промислових| експериментів, обробці й науковому| аналізі їх результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення| роботи| доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях “Механіка і технологія вибухового| руйнування| гірських порід” (Крим, 2004 р.; Крим,  р.; Коктебель, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування промислових| і конверсійних вибухових| речовин| при руйнуванні гірських порід вибухом| і екологічна безпека|” (с.м.т. Яремча, Івано-Франківська обл., 2005 р.), Регіональній науково-технічній конференції молодих| учених| і спеціалістів (м. Кременчук, 2005 р, 2007 р.), а також| у|в,біля| повному| обсязі доповідалися на семінарах Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 7 друкованих| робіт у наукових| спеціалізованих, затверджених| ВАК| України, виданнях|.

Обсяг і структура роботи|. Дисертаційна робота складається зі вступу|, чотирьох| розділів, висновків|, викладених| на 108 сторінках друкованого| тексту, містить 34 рисунків і 12 таблиць|, список літературних джерел| з 95 найменувань|, а також| додатки| на 12 сторінках.

основний| зміст роботи|

У|в,біля| вступі обґрунтовано актуальність роботи| та показано зв'язок| з науковими| програмами|, сформульовано| мету й основні наукові та практичні задачі досліджень, наведено наукові положення|, що| виносяться| на захист|, показано наукову| новизну|новинку| і практичну| цінність отриманих| результатів, а також| рівень апробації роботи|.

у|в,біля| першому| розділі наведено характеристики набійок подовжених зарядів ВР|. Набійка подовжених зарядів ВР|, перешкоджаючи вильоту газів під час вибуху, замикає їх на деякий час у навколишній|довколишній| гірській|гірничій| породі і тим самим сприяє зростанню тривалості вибухової дії та підвищенню механічної роботи газоподібних продуктів усередині середовища|середи|.

Основні питання теоретичного і прикладного характеру|вдачі| щодо вивчення ролі набійок зарядів ВР| під час вибуху розглянуті|розгледіти| в роботах Демидюка Г.П., Баума Ф.А., Єфремова Е.І., Воробйова В.В. Кучерявого Ф.І., Крисіна Р.С., Петренка В.Д., Мінделі Е.О., Кутузова Б.М., Коміра В.М., Баранова Є.Г. та ін.

Результатами численних|багаточисельних| експериментальних досліджень доведено, що дія набійки залежить від розмірів|великої| частинок|часток,часточок| сипкого матеріалу набійки, його зчеплення зі|із| стінками порожнини та ін.

У гірничій|гірничій| промисловості найбільшого поширення набули набійки з|із| сипких і пластичних матеріалів. Властивості сипких| матеріалів для набійки залежать від їх пористості, розмірів і форми окремих шматків. Зі|із| збільшенням розмірів частинок матеріалу|великої|, як правило, підвищується газопроникність матеріалу, але|та| зростає ймовірність|ймовірність| розклинювання їх у замкнутому об'ємі|обсязі| з|із| утворенням жорсткого каркасу. Стійкість каркаса залежить від форми і розмірів шматків. Стійкіша форма каркаса утворюється при заклинюванні шматків неправильної форми.

Проте пористість|однак|| такої набійки призводить|призводить,наводить| до прискореного витоку газоподібних продуктів крізь матеріал набійки до того, як починається|розпочинається,зачинається| її зсув|зміщення|, тобто|цебто| частина|частка| газів не бере участь у роботі щодо дроблення середовища|середи|.

Підвищення ефективності набійки при вибухових роботах досягається за рахунок зміни її конструкції з урахуванням|з врахуванням| будови|споруди| і властивостей руйнованого середовища|середи|.

Відомо, що наявність набійки сприяє повнішому|цілковитому| протіканню вторинних|повторних| реакцій у продуктах детонації, що призводить|призводить,наводить| до зменшення кількості токсичних газів і знижується екологічно шкідлива дія вибуху на навколишнє середовище. Крім того, скорочується дальність розльоту осколків під час вибуху та ослабляється ударна повітряна хвиля, що сприяє підвищенню безпеки під час вибухових робіт.

Проте|однак|, у розглянутих|розгледіти| роботах не враховується зміна енергетичних витрат|затрат| на дроблення твердих середовищ|середи| при використанні різних конструкцій набійок.

Аналіз робіт, у яких на основі вибору моделі середовища|середи| і моделювання різними функціями вибухової дії на неї, засвідчив, що одержані|отримані| теоретичні залежності необхідно коригувати за результатами|за результатами| експериментальних вибухів.

У другому розділі розглянуто|розгледіти| характеристики сил, що діють на набійки зарядів ВР|, характер|вдача| деформації різних матеріалів для набійок під впливом статичних і динамічних навантажень.

Вплив газоподібних продуктів детонації на середовище|середу|, з|із| певним припущенням, може розглядатися|розглядується| у квазістатичному наближенні, що дає підставу|основу,заснування| в лабораторних експериментах замінити навантаження під час вибуху на торець набійки з боку заряду ВР| відносно статичною силою, що поступово|повільно| змінюється. Тому в проведених експериментальних дослідженнях при визначенні деформацій, ущільнення і переміщення сипких і пластичних матеріалів у циліндричній порожнині дію продуктів детонації на торець набійки моделювали статичним тиском|тисненням| жорсткого поршня. Результати експериментальних досліджень особливостей деформації та руху в циліндричній порожнині різних сипких і пластичних матеріалів під дією статичних навантажень можуть використовуватися для оцінювання їх придатності як набійок.

Під час досліджень в якості сипкого матеріалу використовували гранвідсів| фракцій 1–2; 2–3; 3–5 і 5–7 мм, а також глину та пісок.

На рис. 1 наведено характерну|вдача| діаграму деформації та руху в циліндричній порожнині гранвідсів| (розмір частинок|часток,часточок| 3 – 5 мм). Зниження зусилля при переміщенні поршня і виштовхуванні сипкого матеріалу з|із| порожнини зумовлене зменшенням сил тертя. Зменшення осьового зусилля призводить до зниження бічного|бокового| розпору і, як наслідок, до подальшого|дальшого| зменшення сил тертя.

На підставі результатів обробки діаграм деформації встановлена|установлена| робота з подолання|здоланню| сил опору виштовхуванню з|із| циліндричної порожнини сипких матеріалів на різних етапах процесу. На стадії ущільнення сипкого матеріалу (гранвідсів| фракції 3–5 мм) робота склала 330 Дж, при загальній|спільній| роботі виштовхування 852 Дж, тобто на ущільнення сипкого матеріалу витрачається близько 40 % від загальної|спільної| роботи з його виштовхування з|із| циліндричної порожнини.

Математична обробка результатів експериментальних досліджень за відомими методиками дозволила встановити кореляційні залежності величини виштовхувальних зусиль Pi, кН|, із|із| циліндричної порожнини сипких матеріалів з різною величиною частинок|великої| від довжини стовпа сипкого матеріалу, мм

при величині частинок|великій| 1 – 2 мм:

P1 = 3.1421219*10-16* LЗ 8.1967898 ; (1)

при величині частинок|великій| 3 – 5 мм:

P2 = 1.9306323*10-15*LЗ7.7040097 . (2)

При виштовхуванні з|із| циліндричної порожнини глини механізм її деформації та виштовхування (рис. 2) істотно|суттєво| відрізняється від спостережуваного в аналогічних експериментах із|із| сипкими матеріалами. Ущільнення стовпа глини на початковій стадії незначне (див. рис. 2), про що свідчить величина роботи його ущільнення – близько 64 Дж, при загальній|спільній| роботі виштовхування 641 Дж, тобто|цебто| робота ущільнення складає близько 10 % від загальної|спільної| роботи. Це може бути пояснене порівняно невеликими силами бічного|бокового| розпору, а отже, і тертя. Крім того, менша пористість глини порівняно з гранвідсівом| зумовила невеликі деформації на I стадії (див. рис. 2). По досягненні певного навантаження відбувався|походив| рух глини при величині зусилля виштовхування, що зменшується (див. рис. 2, ділянка II). Далі рух глини відбувався|походив| при незначній зміні виштовхуючого зусилля, але|та| нерівномірно (з|із| короткими зупинками) і супроводжувався|супроводилося| вібраціями (див. рис. 2, ділянка III), що, швидше за все, пов'язане з відмінністю коефіцієнтів тертя спокою і ковзання.

При виштовхуванні піску із|із| циліндричної порожнини спостерігалося невелике (порівняно з виштовхуванням гранвідсіву|) ущільнення (див. рис. 3, ділянка I). Робота ущільнення піску складала 66 Дж при загальній|спільній| роботі виштовхування 488 Дж. При практично однакових значеннях робіт ущільнення піску і глини, частка|доля| роботи ущільнення піску в загальній|спільній| роботі ущільнення складала 13,5%, а глини – 10%, що пов'язане з вищою пористістю піску.

Порівняльне оцінювання ефек-тивно-сті застосування|вживання| різних матеріалів як набійок можна провести за величиною зусиль виштовхування за допомогою поршня із|із| циліндричної порожнини стовпчиків з|із| різних матеріалів однакової довжини або за здійсненою при цьому роботою виштовхування.

Сили, що впливають на набійку під час вибуху заряду ВР|, зумовлені ударною хвилею, яка супроводжує процес детонації, та тиском|тисненням| газоподібних продуктів вибухового перетворення. Ударна хвиля на контакті заряду ВР| з|із| набійкою частково заломлюється в| матеріал набійки, частково відбивається|відбивається| від торця набійки. Відбита хвиля, розповсюджуючись|поширюючись| у продуктах детонації, зумовлює|спричиняє| в них коливальні процеси. При цьому відбивання|відображення,відбиття| ударної хвилі від торця набійки, а потім від дна свердловини|щілини| можуть повторюватися неодноразово.

Унаслідок|внаслідок| дії активних сил на дисперсні матеріали, що знаходяться|перебувають| в циліндричній порожнині, виникають реактивні сили бічного|бокового| розпору і тертя.

Набійку із|із| сипких матеріалів слід розглядати|розглядувати| як дисперсне середовище|середу|, властивості якого залежать від розмірів частинок|часток,часточок| дисперсної фази. Поведінка і кінематичні параметри руху таких набійок під вибуху істотно|суттєво| відрізняються від зіставних|порівнянних| параметрів переміщення суцільних набійок. Залежно від стійкості утвореного великими|великими| фракціями каркасу і властивостей заповнювача можливі різні варіанти процесу вильоту набійки. Пластичний або дрібнозернистий заповнювач усередині жорсткого каркаса утруднює прорив продуктів детонації із|із| зарядної порожнини, а виліт набійки зі|із| шпуру або свердловини|щілини| відбувається більш повільно|повільно|, внаслідок|внаслідок| значних сил бічного|бокового| розпору і тертя |матеріалу набійки.

Під впливом ударної хвилі, як правило, відбувається|походить| деформація і переукладання жорсткого каркасу, внаслідок чого змінюється величина сил опору вильоту набійки. Одночасно з цими процесами газовий потік продуктів детонації, що фільтрується через пористе середовище|середу|, залучає до руху пилоподібні та дрібнодисперсні| частинки|частки,часточки|. Швидкість руху частинок|часток,часточок| залежить від їх щільності й розмірів. Легші (меншої маси) частинки|частки,часточки| набувають|придбавають| швидкості, близької до швидкості газового потоку, тобто|цебто| під час вильоту відбувається|походить| диференціація частинок|часток,часточок| за розмірами та щільністю.

Потенційна енергія заряду ВР| під час вибуху перетвориться на інші види і витратиться на виконання різних робіт, взаємозв'язок між якими можна проаналізувати на основі енергетичного балансу під час вибуху.

Експериментальні вимірювання|виміри| окремих компонентів енергетичного балансу, навіть у лабораторних умовах, з|із| достатньою точністю і вірогідністю виконати неможливо, тому співробітниками кафедри технічної механіки КДПУ| запропонована детальніша схема балансу енергії під час вибуху (рис. 4) і розроблена нова методика, що дозволяє експериментально визначити величину коефіцієнта передачі енергії вибуху гірській|гірничій| породі залежно від конструкцій і параметрів набійок.

В основу методики покладено ідею створення таких умов під час вибуху, щоб механічний ефект при цьому виявлявся в таких формах, при яких експериментальне визначення величини його роботи не викликало|спричиняло| б утруднень|скрути|. Методика базується на оцінювання енергетичних витрат|затрат|, пов'язаних із знеміцненням| гірських|гірничих| порід при неруйнуючих імпульсних (вибухових) навантаженнях, коли іншими формами роботи можна знехтувати|. Для цих експериментів з|із| одного блока штучного каменю на каменерізальній машині виготовляли серію моделей (кубики, призми), які піддавали неруйнуючим імпульсним впливам заданої енергії, після чого моделі розрізали на стандартні зразки|взірці| для випробувань при одновісному стисненні|стискуванні|. Енергетичні витрати|затрати| на знеміцнення моделей (або якого-небудь об'єму|обсягу| матеріалу) оцінювали за залишковою міцністю окремих зразків|взірців|. Енергія знеміцнення одного зразка|взірця| об'ємом|обсягом| V1:

, (3)

де уэ – межа міцності при одновісному стисненні|стискуванні| зразків|взірців|, що не піддавалися імпульсній неруйнуючій дії;

у1 – межа залишкової міцності зразків|взірців| після|потім| імпульсної неруйнуючої дії;

Eст – статичний модуль подовжньої пружності гірської|гірничої| породи, з|із| якої виготовлені зразки|взірці|;

Kg – безрозмірний коефіцієнт (залежить від типу породи).

Загальна|спільна| енергія U0 знеміцнення| моделі або якого-небудь об'єму|обсягу| V0 складе

, (4)

де n – число частин|часток| моделі або якого-небудь об'єму|обсягу| досліджуваного матеріалу;

Vi – об'єм|обсяг| i-ї частини|частки| моделі (зразка|взірця|);

у i – залишкова міцність i-ї частини|частки| моделі (об'єму|обсягу|).

Коефіцієнт передачі енергії вибуху в гірську|гірничу| породу з визначався як відношення|ставлення| енергії знеміцнення| зразка|взірця| до енергії неруйнуючого імпульсного навантаження EUB (довідкова величина для промислових ВР|):

. (5)

За допомогою запропонованої методики, впливаючи на модель вибухами модельних| зарядів без набійки та з|із| набійками різної конструкції, кількісно оцінювали їх вплив на частку механічної енергії, що передавалась навколишньому твердому середовищу.

Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню кінематичних параметрів руху набійок різної дисперсності та вологості|вогкості| під час вибуху зарядів ВР|. Основний обсяг|обсяг| лабораторних експериментальних досліджень пов'язаний з визначенням витрат|затрат| на механічні ефекти при імпульсних навантаженнях на гірські|гірничі| породи.

Для дослідження кінематичних параметрів руху набійок під час вибуху використовували сталеву циліндричну мортиру, по осі якої знаходився отвір діаметром 5 мм і завглибшки 50 мм, який моделював шпур. У шпурі розміщували заряд тена| масою 100 мг, поверх якого встановлювали мікроелектродетонатор. Незаряджену частину|частку| шпура заповнювали по черзі різними| матеріалами набійок. Процес вильоту набійки зі|із| шпура фіксували високошвидкісною камерою ВСК-5|.

У результаті|унаслідок,внаслідок| обробки регістрограм| установлено|установлено|, що рух набійки з|із| пластичного матеріалу вздовж|вздовж,уподовж| осі шпуру незалежно від його вологості|вогкості| має коливальний характер|вдачу|, що, найімовірніше, зумовлено хвильовими газодинамічними процесами в зарядній порожнині. При вологості|вогкості| глини 3-5% у коливальному процесі переважають високочастотні складові, що, ймовірно, викликано|спричинено| проникненням у малозв'язний матеріал газоподібних продуктів детонації та утворенням пилогазової| хмари, яка повторює динаміку коливань газового міхура|пузиря,пухиря| в зарядній порожнині. Найбільша середня швидкість руху набійки при вологості|вогкості| глини 3 – % складає 360 м/с.

Зі|із| збільшенням вологості|вогкості| матеріалу набійки спостерігається зменшення впливу продуктів детонації на характер|вдачу| руху набійки в напрямку|направленні|, перпендикулярному до осі шпуру.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили вплив вологості|вогкості| матеріалу набійки на характер|вдачу| її руху під час вибуху заряду ВР.

Статистична обробка результатів експериментів за допомогою програми MathCAD дозволила встановити кореляційну залежність середньої швидкості вильоту V, м/с, пластичної набійки від вологості|вогкості| ц, %, її матеріалу:

V = 4,5ц 2 – 84 ц + 624. (6)

Результати досліджень можуть бути використані для вибору оптимальної вологості|вогкості| глинистих матеріалів при формуванні набійки шпурових| зарядів ВР|, яка забезпечує підвищення щільності замикання продуктів детонації в зарядній порожнині й ефективності вибухового відбою порід при проведенні гірничих|гірничих| виробок.

Набійки для шпурових| зарядів ВР| з|із| матеріалів у різних станах (рідкі, пастоподібні й под.) можуть використовуватися не тільки|не лише| для підвищення коефіцієнта використання шпуру, але і для попередження|попереджувати,запобігання| та локалізації |осередків| займання або вибухів метану і вугільного пилу під час проведення вибухових робіт у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу. Ефективність попередження|попереджувати,запобігання| та локалізації вибухів метану і вугільного пилу залежить від аґреґатного стану, фізико-механічних властивостей та концентрації вогнегасника в метано-| і пилоповітряних середовищах|середі|. Важливо|поважно| вибрати не тільки|не лише| матеріал полум'ягасника і його аґреґатний стан, але також ефективний і надійний спосіб його розпилювання|розпиляти| з метою створення|створіння| в забої виробки аерозольних завіс.

У результаті|унаслідок,внаслідок| досліджень встановлено|установлено|, що в початковий момент вильоту зі|із| шпуру водяних та пастоподібних набійок розпилювання|розпиляти| матеріалу й утворення пилоподібної хмари не спостерігається. Ці набійки після|потім| вильоту зі|із| шпуру якийсь час рухаються|сунуться| компактною масою без ознак утворення аерозольних суспензій.

Водяній набійці, що має незначне зчеплення між суміжними шарами води і невеликий коефіцієнт внутрішнього тертя, властива певна специфіка в кінематиці її вильоту із|із| зарядної порожнини. При вибуху заряду тена| центральна частина|частка| набійки виштовхується з|із| порожнини з|із| більшою швидкістю, значно випереджаючи периферійні шари, що контактують з|із| її стінками.

Формування аерозольної завіси повинно супроводжуватись|супроводиться| інтенсивним розльотом| матеріалу набійки (води) перпендикулярно до осі. Для водяної набійки процес бічного|бокового| розльоту розвивається відносно повільно|повільно|.

Процес вильоту набійок із|із| пастоподібних матеріалів і глини підвищеної вологості|вогкості| ідентичні. У зв'язку з тим, що такі матеріали не встигають|устигають| диспергуватися| до вильоту зі|із| шпуру, використання їх для створення|створіння| пиловибухозахисних| заслонів буде малоефективним, якщо не змінити|поміняти| конструкцію набійок.

Виліт із|із| зарядної порожнини гелевих набійок супроводжується|супроводиться| інтенсивнішим розльотом їх матеріалу в напрямку|направленні|, перпендикулярному до осі шпуру. Ця особливість може бути пояснена наявністю в набійці бульбашок газу, які утворюються як у результаті|унаслідок,внаслідок| десорбції при ударному впливі на гель під час вибуху, так і за рахунок проникнення в нього продуктів детонації. Бульбашки, що знаходяться|перебувають| під підвищеним тиском|тисненням|, під час вильоту зі|із| шпуру сприяють бічному|боковому| розльоту. Аналогічні, але|та| більш яскраво виражені,|виказані,висловлені| явища спостерігаються при використанні як набійки дрібнодисперсного| інертного пилу. Оскільки матеріал спочатку має необхідну дисперсність для створення|створіння| пиловибухозахисного | заслону, то його виліт супроводжується|супроводиться| формуванням пилогазової| хмари в початковий момент безпосередньо біля |в,біля|шпуру.

Для прискорення бічного|бокового| розльоту і створення|створіння| більш рівномірної концентрації полум'ягасника в пиловибухозахисному заслоні у водяних, гелевих і пилоподібних набійках створювали некрізний канал з боку заряду ВР|. Діаметр такого каналу в патронах набійок складав діаметра шпуру, а його довжина –  загальної|спільної| довжини набійки.

У результаті|унаслідок,внаслідок| виконаних досліджень встановлено|установлено|, що пилоподібні набійки забезпечують більш тривале замикання продуктів детонації в шпурі, ніж пластичні, сприяючи підвищенню інтенсивності дроблення відбиваних гірських|гірничих| порід. Використання пилоподібних набійок при вибухових роботах дозволяє створювати пиловибухозахисні заслони в забоях гірничих|гірничих| виробок і підвищити безпеку вибухових робіт.

Для визначення впливу набійки на коефіцієнт передачі енергії вибуху зарядів ВР| у гірську|гірничу| породу виконано чотири серії експериментів: без набійки і з використанням різних матеріалів як набійок:–

глини вологістю|вогкістю| 5 – %;–

піску фракцій 0,2 – ,5 мм;–

мармурового пилу (фракції 30 – 40 мкм|).

Масу набійки брали 50 мг, в окремих експериментах 100 мг.

Коефіцієнт передачі енергії вибуху в гірську|гірничу| породу знаходили|находили| за формулами (3), (4), (5).

Результати експериментальних досліджень і розрахунків наведено в табл. .

Як випливає з наведених результатів, застосування|вживання| набійки зарядів ВР| приводить|призводить,наводить| до збільшення в 1,71 – ,24 раза частки|долі| енергії, що передається під час вибуху зразкам|взірцям| з|із| граніту, а також викликає|спричиняє| їх знеміцнення|.

Вплив конструкції набійки на інтенсивність дроблення вивчали на моделях розмірами 130х130х130 мм з|із| гранітів Солошинського родовища. У центрі кожної моделі виконували шпур діаметром 4 мм і завглибшки 70 мм. У шпурі розміщували заряд тена| масою 375 мг і мікроелектродетонатор для ініціації вибуху. Потім модель поміщали в обичайку, заповнюючи зазори між її стінками і бічними|боковими| гранями вологим|вогким| піском. З одного, боку це створювало можливість|спроможність| невеликих переміщень зруйнованої маси під час вибуху, з|із| іншого – дозволяло запобігати перемішуванню матеріалу верхньої та нижньої частин|часток| моделі. Після|потім| вибуху розбирали уламки, відокремлюючи|відділяючи| ті, що належать верхній частині,|частці| від нижньої.

Таблиця 1

Результати лабораторних експериментів і розрахунків коефіцієнта передачі енергії вибуху зразкам|взірцям| гірських|гірничих| порід при використанні різних матеріалів як набійок зарядів ВР|.

Маса

заряду, мг | Матеріал

набійки | Маса

набійки, мг | Межа

залишкової

міцності,

МПа | Енергія

знеміцнення|

зразків|взірців|, Дж | Коефіцієнт

передачі

енергії вибуху

зразкам,|взірцях| %

15,0 | без набійки | - | 144,7 | 6,76 | 7,63

25,0 | без набійки | - | 104,7 | 14,815 | 10,03

15,0 | мармуровий пил | 50 | 122,35 | 11,58 | 13,07

15,0 | мармуровий пил | 100 | 118,24 | 12,38 | 13,97

15,0 | глина | 50 | 112,9 | 13,37 | 15,09

15,0 | глина | 100 | 109,1 | 14,06 | 15,87

15,0 | пісок | 100 | 102,8 | 15,13 | 17,08

Великі|великі| уламки (розміром більше 20 мм) обміряли поштучно і зважували|важили|, грансклад| дрібних|мілких| фракцій (менше 20 мм) визначали методом ситового аналізу. У результаті|унаслідок,внаслідок| експериментальних досліджень зафіксована інтенсивність дроблення верхньої та нижньої частин|частки| моделі при підриванні без набійки та з використанням різних конструкцій набійки, а саме:

1) суцільна сипка набійка (дрібнодисперсний| мармуровий пил з|із| розмірами частинок|часток,часточок| 30 –  мкм| і дрібнозернистий просіяний|просіювати| пісок з|із| розмірами частинок|часток,часточок| 0,2 – ,5 мм);

2) з|із| повітряним проміжком між зарядом і набійкою;

3) сипка набійка, розосереджена повітрям;

4) сипкі набійки, розосереджені інертними суцільними вставками різної жорсткості.

Після|потім| руйнування моделей виміряний|виміряний| гранулометричний склад у їх верхніх частинах|частках| (біля незаряджених частин|часток| шпурів) і в нижніх частинах|частках| (там, де розташовувалися заряди ВР| до вибуху). При всіх конструкціях гаток діаметр середнього шматка зруйнованого матеріалу верхньої частини|частки| моделі був вищий за діаметр середнього шматка зруйнованого матеріалу нижньої частини|частки| моделі.

При формуванні із|із| сипких матеріалів набійок, розосереджених інертними суцільними вставками різної жорсткості, досягнуто найбільш інтенсивного дроблення моделей, що пояснюється зміною механізму дії продуктів детонації на стінки шпуру. Жорсткість суцільних інертних вставок однакової довжини оцінювали за величиною їх деформацій при однакових зусиллях.

У четвертому розділі наведені результати дослідно-промислових випробувань, які проведені на кар'єрах нерудбудматеріалів Кременчуцького реґіону.

Дослідно-промислові вибухи з використанням сипких матеріалів різної величини часток|великої| для формування набійок свердловинних| зарядів ВР| проведені на Мало-Кохнівськом гранітному кар'єрі (м. Кременчук). На контрольних ділянках при підготовці масових вибухів як набійку свердловинних зарядів ВВ| використовували гранвідсів|, що складається з гранітної крихти фракцій 0 –
5 мм, що утворюється при вторинній|повторній| переробці гірської|гірничої| маси на дробильно-сортувальному заводі. На експериментальних ділянках набійку свердловинних зарядів ВР| формували, використовуючи глину (у сухих свердловинах|щілинах|) і щебінь фракцій 5 –  мм, 10 – 20 мм і 5 – 20 мм.

Установлено|установлено|, що розміри частинок|велика| матеріалу набійки чинить вплив на інтенсивність дроблення відбитої гірської|гірничої| маси. Найменший діаметр середнього шматка відбитої гірської|гірничої| маси зафіксований, коли як матеріал набійки використовували щебінь фракцій|великою| 5 – 10 мм і 5 – 20 мм.

Вплив комбінованих набійок свердловинних зарядів ВР| на інтенсивність дроблення відбитої гірської|гірничої| маси встановлений|установлений| за наслідками|за результатами| масових вибухів на Рижевському гранітному кар'єрі та на гранітному кар'єрі Крюківського кар'єроуправління| (м. Кременчук).

Результати промислових досліджень підтвердили, що діаметр середнього шматка відбитої гірської|гірничої| маси зменшується при використанні комбінованих набійок зарядів ВР| у сухих свердловинах|щілинах| на 9,7 – ,5В обводнених умовах вплив комбінованої набійки на інтенсивність дроблення (діаметр середнього шматка) менш істотний|суттєво| (3,5 – ,7що можна пояснити тим, що вода, заповнюючи порожнини|пустоти| в грубозернистому|крупнозернистому| |матеріалі набійки (щебені) виконує роль прошарку з|із| пластичного матеріалу і перешкоджає прориву продуктів детонації із|із| зарядної порожнини.

На Рижевському гранітному кар'єрі і кар'єрі Редутського щебзаводу| досліджували ефективність застосування|вживання| набійок, розосереджених повітряним проміжком.

В експериментальних свердловинах|щілинах| набійки розосереджували повітряними проміжками, які з'єднували|поєднували,з'єднували| із|із| зарядною порожниною за допомогою подовжніх каналів (рис. 6).

Механізм роботи таких набійок пояснює схема (рис. ). У первинний момент часу після|потім| збудження вибухового розкладання заряду ВР| частина|частка| продуктів детонації спрямовується по подовжньому каналу 5, утвореному пластиковою трубкою|люлькою| 3 до повітряної порожнини 2, створену газовим мішком. Решта продуктів детонації діє на нижній торець набійки й стінки свердловини|щілини|, як показано на рис. 7а.

Під час руху по пластиковому каналу продукти детонації крізь перфорацію в трубці|люльці| проникають у пористий матеріал набійки 4 навколо|навкруг,довкола| пластикової трубки|люльки|. Крім того, сюди потрапляють|попадають| продукти детонації також через нижній торець набійки, створюючи тиск|тиснення| на стінки свердловини|щілини| в цій частині уступу (рис. 7б). У міру заповнення газового мішка продуктами детонації тиск|тиснення| у ньому зростає, що так само сприяє підвищенню інтенсивності дроблення гірських|гірничих| порід. Тиск|тиснення| у газовому мішку збільшується після|потім| відбиття|відображення,відбиття| ударної хвилі від верхньої частини|частки| набійки (мал. 7в). При цьому газовий потік у повітряному проміжку змінює|зраджує| напрямок|направлення| руху на зворотний, перешкоджаючи вильоту основної маси продуктів детонації зі|із| свердловини|щілини| через її устя. При цьому значна частина|частка| продуктів детонації спрямовуються в природні тріщини, які утворилися, в навколишньому|довколишньому| масиві, що сприяє підвищенню інтенсивності дроблення всієї відбиваної гірської|гірничої| маси.

Виходячи з розглянутої|розгледіти| схеми, визначено довжину повітряного проміжку lв.п. в набійці, при якій забезпечується максимальна ефективність вибухового відбивання гірських|гірничих| порід.

(7)

де D та d – діаметр свердловини|щілини| і подовжнього каналу, відповідно;

lн.з. – довжина нижньої частини|частки| розосередженої набійки;

U1 та U2 – швидкість руху продуктів детонації в каналі та швидкість їх фільтрації крізь| матеріал набійки відповідно.

Експериментально показано, що використання набійок, розосереджених повітряними проміжками, які з'єднуються із|із| зарядною порожниною подовжніми каналами, значно зменшує вихід фракцій, негабаритів. При цьому підвищується рівномірність дроблення гірської|гірничої| маси, що побічно підтверджує відповідність запропонованої схеми розвитку вибуху реальним фізичним процесам.

У цьому розділі наведені конструкції патронів для набійок шпурових| зарядів ВР| з метою створення|створіння| пиловибухозахисних заслонів при проведенні гірничих|гірничих| виробок в шахтах, небезпечних щодо газу та пилу (рис. 8).

У шахтах, небезпечних що до газу та пилу, слід розмістити в шпурах як матеріал набійки таку масу флегматизуючих| речовин, яка достатня для створення|створіння| пиловибухозахисних заслонів.

Ефективність та надійність такого заслону залежить від інгібіторних| властивостей і концентрації пилу поблизу забою виробок після|потім| вильоту набійки.

З|із| цієї умови визначаємо

(8)

де nЗ – необхідна кількість шпурів на 1 м2 площі|майдані| перерізу вироблення (nЗ=N/S), шпурів/м2.

У результаті|унаслідок,внаслідок| виконаних досліджень установлено|установлено|, що під час вибухових робіт у забоях гірничих|гірничих| виробок шахт, небезпечних щодо газу та пилу, пиловибухозахисні заслони можуть створюватися за рахунок розпилювання|розпиляти| дрібнодисперсных| (аерозольних) полум'ягасників, якщо їх використовувати як набійку шпурових| зарядів ВР|. Створення|створіння| в набійці некрізних подовжніх повітряних каналів сприяє прискореному й ефективнішому формуванню пиловибухозахисних заслонів у гірничих|гірничих| виробках. Після|потім| осідання пилу відбувається|походить| також часткове осланцювання виробки, що підвищує безпеку вибухових робіт у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу.

ВИСНОВКИ|укладення,ув'язнення|

На підставі виконаних наукових досліджень у дисертаційній роботі викладено нове рішення актуальної науково-технічної задачі – підвищення інтенсивності вибухового дроблення скельних порід на кар'єрах і ефективності формування пиловибухозахисних заслонів під час проведення гірничих виробок у шахтах, небезпечних щодо газу та пилу. В основу роботи покладено теоретичні й експериментальні дослідження особливостей і закономірностей поведінки різних конструкцій набійок при вибуху для розробки науково обґрунтованих методик проектування оптимальних параметрів їх конструктивних елементів.

Основні наукові положення|становища| і практичні рекомендації, одержані|отримані| в процесі досліджень і дослідно-промислової перевірки представлених|уявлених| розробок, дозволили сформулювати наступні|слідуючі| висновки|виведення|:

1. Теоретично і експериментально встановлено|установлено|, що від величини|великої| частинок|часток,часточок| матеріалу набійки залежить коефіцієнт передачі енергії вибуху у гірський масив.

В умовах експерименту збільшення величини|великої| частинок|часток,часточок| матеріалу набійки від 30 – мкм (пилоподібні) до 0,2  0,5 мм (пісок) коефіцієнт передачі енергії вибуху в матеріал зразків|взірців| зростає в 1,3 разу (з 13 % до 17 %).

Застосування|вживання| набійки зарядів ВР| призводить|призводить,наводить| до збільшення в
1,71 – ,24 рази частки|долі| енергії, що передається під час вибуху зразкам|взірцям| з|із| гірських|гірничих| порід.

2. Одержана|отримана| кореляційна залежність середньої швидкості вильоту набійки зі|із| шпуру від вологості|вогкості| пластичних матеріалів набійки (глина).

Збільшення вологості|вогкості| пластичного матеріалу (глини) набійки з 3 – 5 % до 13 – 15 % приводить|призводить,наводить| до відсутності бічного|бокового| розльоту матеріалу набійки після|потім| вильоту його зі|із| шпуру. При вологості|вогкості| 13 – % після|потім| вильоту зі|із| шпуру набійка рухається|сунеться| деякий час як суцільне тіло. Рух набійки в осьовому напрямку|направленні| незалежно від вологості|вогкості| її матеріалу є|з'являється,являється| коливальним, що обумовлено динамікою розширення газоподібних продуктів детонації і хвильовими процесами в зарядній порожнині.

3. Набійка із|із| сипких матеріалів являє собою дисперсне середовище|середу|, властивості якого залежать від розмірів складових фракцій |матеріалу набійки. При переважанні в матеріалі набійки великих фракцій розмірами 0,04 – 0,05 діаметра свердловини|щілини| (шпуру) і більше у замкнутому об'ємі|обсязі| зарядної порожнини при достатній довжині набійки під дією силових впливів формується жорсткий каркас за рахунок розклинювання частинок|часток,часточок|.

Залежно від міцності та стійкості утвореного каркаса і властивостей заповнювача на кожен компонент набійки активні сили передаються різними способами, з|із| яких переважаючими|пануючими| є|з'являються,являються|:–

хвильові впливи, на утворений каркас;–

газодинамічні впливи на заповнювач і каркасне утворення|утворення|.

4. Експериментально визначені кінематичні параметри| руху набійок різних конструкцій та їх вплив на інтенсивність дроблення матеріалу моделей у зонах розміщення заряду ВР| і матеріалу набійки.

Інтенсивність дроблення моделей з|із| гірських|гірничих| порід за інших рівних умов залежить від конструкції набійки. Найбільш ефективні набійки зарядів ВР| із|із| сипких матеріалів, розосереджені повітряними проміжками або інертними жорсткими вставками.

5. Досліджено особливості і характер|вдача| сил діючих на різні конструкції набійок свердловинних зарядів ВР| і визначено найбільш ефективні з|із| них, які забезпечують збільшення тривалості замикання продуктів детонації в