Управління детонаційним процесом в подовжених зарядах при руйнуванні породних масивів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Демещук Вадим Леонідович

УДК 622.232: 622.23.01

Управління детонаційним процесом в подовжених зарядах при руйнуванні породних масивів

Спеціальність 05.15.03 - Відкрита розробка родовищ корисних копалин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному науково - дослідному інституті промислової безпеки та охорони праці України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кравець Віктор Георгійович, Національний технічний університетУкраїни “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”), завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, ст. наук. співр. Бойко Віктор Вікторович, завідувач лабораторією Інституту гідромеханіки НАН України.

Захист відбудеться 25.09.2008р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.22 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут ”) за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, к.22, ауд. 510,б.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

детонаційний процес гірський масив

Актуальність теми. Одним з основних напрямків в галузі підривних робіт на гірничовидобувних підприємствах України є дотримання безпеки й ефективності керування енергією вибуху за рахунок підвищення частки її використання на корисні форми роботи при руйнуванні масивів гірських порід. З огляду на сучасну тенденцію до переходу на розробку безтротилових вибухових речовин (ВР), у т.ч. з використанням конверсійних боєприпасів, вимоги до ефективності й безпеки підривних робіт значно підвищуються. Аналогічні вимоги пред'являються й до розробки засобів ініціювання, здатних максимально реалізувати потенційну енергію заряду ВР. Можливість керування ефективністю використання енергії вибуху промислових свердловинних зарядів скінченних розмірів і механізмом передачі енергії вибуху в руйнований масив гірських порід у першу чергу визначаються характером зародження і розвитку детонаційних процесів в зарядній камері при вибуху ініціатора. Стосовно сучасних найпростіших сумішевих ВР система «ініціатор - лінійний заряд» потребує особливої уваги, оскільки вона має забезпечувати ефективність перетворення енергії вибуху в роботу деформування масиву гірських порід, особливо при їх складній структурі.

У зв'язку з цим розробка й впровадження науково обґрунтованих методів керування процесами ініціювання і детонації зарядів сумішевих ВР, що забезпечують підвищення ефективності подрібнення масивів гірських порід, є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана із планами НДР Національного НДІ промислової безпеки та охорони праці, результати досліджень по ній отримані при виконанні наукових тем: «Розробка безпечної й ефективної технології підривних робіт свердловинними зарядами вибухових речовин у полімерних гнучких оболонках» (№ ДР 0102U000696) і «Дослідження й розробка прогресивних і безпечних технологій підривних робіт з використанням вибухових речовин місцевого приготування в умовах залізорудних кар'єрів Кривбасу» (№ ДР 0102U006895), у яких автор брав участь в якості виконавця.

Мета й завдання досліджень. Метою роботи є обґрунтування ефективності керування процесом детонації подовжених зарядів сумішевих ВР для створення умов максимальної передачі енергії вибуху в руйнований масив гірських порід складної структури.

Для досягнення поставленої мети визначені такі завдання досліджень:

встановити закономірності взаємодії в детонаційному режимі зарядів бойовика і об'єкта ініціювання з урахуванням їх геометрії, співвідношення енергетичних і акустичних властивостей;

обґрунтувати принципи і способи управління розвитком детонаційного процесу в системі “ініціатор - заряд” на різних стадіях його розвитку;

розробити раціональні методи керування детонацією подовжених зарядів вибухових сумішей для подрібнення гірських масивів складної структури.

Об'єктом дослідження є керовані процеси ініціювання подовжених зарядів сумішевих ВР при руйнуванні шаруватих масивів гірських порід.

Предметом дослідження є конструктивні й детонаційні характеристики системи «ініціатор - подовжений заряд ВР - порода».

Методи дослідження. Рішення поставлених у роботі завдань здійснено шляхом аналізу й узагальнення досягнень теорії й практики підривних робіт, сучасних положень про критерії ефективності вибухового розкладання подовженого заряду, аналітичних і експериментальних досліджень процесу започаткування детонації в подовженому заряді з використанням теорії подібності й розмірностей, а також застосування методів математичної статистики при обробці аналітичних і експериментальних даних і техніко-економічного аналізу отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

встановлено залежність зміни параметрів зони розгону детонації на контакті ініціатора з зарядом ВР від їх акустичних імпедансів, при яких мінімальні втрати енергії ініціатора у відбитій хвилі встонавлюються при співвідношенні імпедансів ініціатора і заряду ВР в межах 2,2…2,5;

обгрунтовано аналітичні залежності енергетичних характеристик процесу детонації подовженого заряду ВР спіральним ініціатором від кута орієнтування фронту детонації заряду ВР до стінки зарядної камери при умові відсутності “захльостування” детонаційних хвиль від наступних витків спіралі;

доведено ефективність введення в склад сумішевих ВР інертних твердих часток кубоподібної чи прямокутної форм як підсилювачів "гарячих точок", що сприяють зростанню швидкості детонації заряду до 34,7 %;

в умовах руйнування різноміцнісних шаруватих масивів гірських порід встановлено аналітичну залежність для визначення відстані між зарядами з урахуванням найбільш міцного шару відносно корінних порід, азимута його простирання і кута падіння, висоти уступу і радіуса зони подрібнення.

Практичне значення одержаних результатів полягає в обґрунтуванні методів керування процесом детонації свердловинних зарядів сумішевих ВР, що забезпечують контрольованість процесу руйнування шаруватих масивів гірських порід, для чого розроблені:

раціональні способи конструювання бойовиків на основі встановлених закономірностей розвитку детонаційного процесу в системі “ініціатор - заряд ВР”;

конструкції комбінованих свердловинних зарядів ВР із спіральними елементами ініціатора і розміщенням по довжині заряду підсилювачів «гарячих точок» - твердих часток з плоскими гранями інертних речовин і конверсійних порохів;

раціональні конструкції свердловинних зарядів, порядок буріння свердловин на блоці, що підривається, і методика розрахунку відстані між ними з урахуванням фізико-механічних властивостей шаруватих масивів гірських порід.

методи управління ініціюванням зарядів стосовно умов руйнування різноміцних шаруватих масивів гірських порід.

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані в співавторстві:

одержання й аналіз експериментальних даних за участю в розробці методики розрахунку параметрів розташування й конструкцій свердловинних зарядів у шаруватих масивах гірських порід [1, 10, 13]; обґрунтування параметрів спірального ініціатора і його енергетичних характеристик [6, 8]; аналіз результатів і побудова графічних залежностей коефіцієнта дисперсності порохів від радіуса заряду [3]; аналіз експериментальних даних для визначення імпульсу тиску при електровибухові [5]; постановка завдання, аналіз результатів розрахунку по забезпеченню оптимального режиму детонації залежно від акустичних жорсткостей бойовика й заряду ВР [7, 9]; обґрунтування впливу місця детонуючого шнура на процес детонації подовженого заряду й механізму руйнування негабаритних кусків [ 11, 12].

Апробація результатів дисертації. Основний зміст роботи й окремих її розділів доповідались й одержали схвалення на Міжнародній конференції «II Школа Геомеханіки» (Глівіце - Устронь, Польща, 1995 р.); Міжнародної конференції «Проблемы гидрогеомеханики в горном деле и строительстве» (Київ, 1996 р.); Міжнародної конференції «III Школа Геомеханіки» (Глівіце - Устронь, Польща, 1997 р.); VIII Міжнародному симпозіумі «Геотехніка - 98» (Глівіце - Устронь, Польща, 1998 р.); на Міжнародному форумі “Екологічні технології та інновації ” (Київ, 2008р.), на науково-технічних семінарах кафедр геобудівництва і гірничих технологій і інженерної екології НТУУ ”КПІ” (Київ, 2002 - 2003 р.р.), Національного НДІ промислової безпеки та охорони праці (Київ, 2002 - 2008р.р.) .

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 13 друкованих працях: статей у фахових виданнях - 9 в т.ч. самостійно - 2; доповідей за матеріалами конференцій - 3, методичних розробок - 1.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 139 найменувань на 16 сторінках, 2-х додатків на 2 сторінках, містить 16 рисунків, 21 таблицю. Загальний обсяг роботи становить 139 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету, завдання дослідження, визначено наукові положення та їх новизна, наукове і практичне значення отриманих результатів, а також викладено дані щодо апробації та публікацій.

У першому розділі розглянуто за останні роки досягнення з поставлених в роботі задач. В останні роки в галузі вибухової справи обґрунтовано методичні напрямки і способи урахування властивостей порід, що руйнуються, розроблені нові типи вибухових речовин, конструкції зарядів і способи їх ініціювання, методи розрахунку параметрів підривних робіт, варіанти різних схем короткосповільненого підривання (КСП) і ін. Значний внесок у розвиток теорії й практики в даному напрямку внесли відомі вітчизняні й зарубіжні вчені: Ф.А. Баум, В.Ф. Бизов, В.В. Бойко, О.О. Вовк, В.В. Воробйов, В.Д. Воробйов, Е.І. Єфремов, В.М. Комір, В.Г. Кравець, М.В. Крівцов, Р.С. Крисін, Б.М. Кутузов, Ф.І. Кучерявий, П.З. Луговий, І.А. Лучко, Ю.С. Мец, М.В. Мєльніков, В.Д. Петренко, К.Н. Ткачук, П.Й. Федоренко, О.В. Шапурин, А.Т. Воєводка, Б. Кільстрем, М. Кук, У. Лангефорс, К. Хіно й багато інших.

Згадані наукові, технічні й технологічні розробки в ряді випадків, особливо при веденні підривних робіт у шаруватих масивах, не забезпечують досить ефективного використання енергії вибуху при дробленні гірських порід. Підвищення ефективності вибуху здійснюється у першу чергу через конструкцію заряду й вимагає сукупного урахування геометричних і технологічних параметрів, представлених формою заряду і параметрами ініціатора.

Відомі способи започаткування детонаційного процесу в зарядах ВР не вичерпують можливості передачі енергії детонаційної хвилі через нерозвиненість механізму її регулювання. В достатній мірі не враховується вимога підвищення енергетики вибуху заряду ВР на початковому його етапі за рахунок форми, конструкції й місця розташування ініціатора, узгодження його детонаційних властивостей з характеристиками ініційованого заряду, забезпечення оптимального кута зустрічі фронту детонації із межею поділу ВР і породи, введення до складу ВР невибухових домішок з різними геометричними параметрами й фізико - механічними властивостями й ін. В роботі на основі аналізу існуючих способів керування детонаційними процесами сформульовано вищевказані мета і задачі досліджень.

У другому розділі наведено результати вивчення процесу ініціювання промислового заряду, що складається з декількох етапів, основним з яких є передача ініціюючого імпульсу від бойовика зарядові ВР. У роботі здійснений аналіз зв'язку енергетичних, детонаційних і кінематичних параметрів системи при ініціюванні зарядів. Відомо, що в заряді в районі бойовика залежно від його детонаційних характеристик існує зона з несталим режимом детонації, яка може змінюватися в межах 2…10 діаметрів подовженого заряду. Навіть при використанні потужного бойовика на початковій ділянці заряду спостерігається різке падіння D значно нижче штатної й наступне її зростання до DВР. Звертає на себе увагу залежність цього процесу від типу бойовика (виду ВР) і його маси. Встановлено, що на процес формування ініціюючого імпульсу впливають енергетичні та геометричні параметри бойовика, а саме, енергія активної частини ініціатора і співвідношення його діаметра й висоти. В експериментах збільшення діаметра бойовика, тобто поверхні його контакту з мішенню приводить до закономірного зростання силових та кінематичних параметрів ініціюючого імпульсу. На рис. 1 наведено залежність відносної активної частини енергії бойовика, переданої в осьовому напрямку, від співвідношення між висотою і діаметром бойовика, яка об'єднує всі експериментальні дані стосовно різних ВР (тротилу, гексогену і ін.) в одну криву. З ростом величини співвідношення h/d до 2,5…3 вона експоненційно знижується до значення ЕА/Е0,23. При цьому незалежно від детонаційних і абсолютних геометричних параметрів бойовика максимум його енергії, яку можна передати в оточуючий масив, не перевищить 80%, а близько 20% енергії бойовика скеровується в осьовому напрямку на ініціювання. Базуючись на акустичному механізмі передачі енергії бойовика ініційованій ВР, належить встановити частину енергії активної маси бойовика, що перейде в ініційоване середовище. Для кожного типу ініціатора та його параметрів встановлено власні експоненційні залежності між швидкістю ударної хвилі в мішені та довжиною і діаметром бойовика. Для об'єднання та узагальнення цих залежностей необхідно встановити спільний критерій, що враховує вплив енергетичних і геометричних параметрів бойовиків з досліджуваних ВР на розвиток детонаційного процесу.

Як слідує із зведеного графіка на рис.2, приведена до квадрата імпедансу ВР асова швидкість у матеріалі мішені лінійно пов'язана з частиною енергії бойовика, переданою ініційованій мішені. В розвиток цього висновку на рис. 3 наведено залежність параметрів переломлення і відбиття на межі ініціатора з зарядом, що мають різний акустичний імпеданс сD. Ці дані свідчать про існування раціонального співвідношення акустичних імпедансів бойовика і заряду в межах 2,2…2, при якому досягається високий ефект передачі детонації.

Згідно з графіком на рис.3 максимальне значення коефіцієнта заломлення КП досягає одиниці при рівності імпедансів бойовика і заряда. Однак це прирівнювання не має сенсу, оскільки якщо імпеданс основного заряду піднімати до імпедансу бойовика, то зникає необхідність в бойовику. Якщо ж, навпаки, зменшувати імпеданс бойовика, чутливість його ВР не дозволить ініціювати бойовик звичайним методом (ЕД або ДШ). Отже, потрібно додатково враховувати енергетичний фактор.

Для цього побудовано залежність співвідношення імпедансів бойовика і заряду від комплексного показника , що включає енергетичні і геометричні параметри бойовика. Характер розташування точок на графіку свідчить про досягнення мінімального значення А1/А2 = 2,2 при величині аргумента 250. Отже, якщо мінімально необхідна енергія ініціювання складе 300КДж , співвідношення h/d повинно бути не менше одиниці.

Таким чином, при призначенні параметрів бойовика потрібно починати з задання його загальної енергії, а потім, спираючись на вищенаведені дані, вибрати його раціональну форму.

В практиці підривних робіт співвідношення А1/А2 може відрізнятись в меншу сторону. Наприклад, при А1/А2 = 1,3, що значно нижче енергетично раціонального, збільшити імпеданс бойовика можна або збільшенням щільності (що практично для сумішевої ВР недоцільне), або збільшенням швидкості детонації. Це можливо шляхом активизації детонаційного процесу через застосування прискорювача - спірального елемента в бойовику. При великих значеннях А1/А2 (більше 4-х) виникає потреба у збільшенні імпедансу частини заряду на контакті з бойовиком. Застосування спірального елемента в цьому випадку можливе, якщо заряд ВР має достатню чутливість до дії ДШ. В іншому випадку є потреба в покращенні детонаційних характеристик ВР в зоні розгону заряду додаванням до складу ВР підсилювачів - джерел “гарячих точок.”.

В розділі 3 розглянуто формування ініціюючого імпульсу в подовженому заряді вибухом спірального бойовика. Як виходить з досліджень, істотне розходження бойовика й мішені за акустичними параметрами призводить до зростання частки відбитої енергії бойовика і відповідно непередбачене падіння швидкості детонації в заряді. Компенсувати це падіння можна або збільшенням загальної маси бойовика, або шляхом регулювання процесу передачі енергії бойовика ініційованому зарядові за рахунок зміни імпедансу ініціатора, форми і величини активної частини ініціюючого заряду, а також введенням в заряд спірального активізатора з ДШ або шлангового заряду.

Довжина одного витка спіралі ДШ дорівнює:

, (1)

де - радіус витка спіралі, м; h- крок спіралі, м.

Виходячи із співвідношень параметрів спіралі і швидкостей детонації ДШ і ВР, отримаємо мінімальний крок спіралі, при якому детонаційна хвиля приходить до торця бойовика одночасно з приходом імпульса по витку ДШ:

. (2)

Залежності (1), (2) можуть бути використані для визначення параметрів спірального елемента бойовика при необхідності зміни швидкості його детонації і відповідно акустичного імпеданса. В цьому разі значення D приймається рівним потрібній швидкості детонації бойовика.

Так, використання спіралі ДШ для встановлення раціонального співвідношення імпедансів бойовика і основного заряду актуальне в разі застосування сумішевих ВР на масових вибухах. В цьому випадку система може складатись з колонки заряду сумішевої ВР і бойовика з ВР, чутливої до ДШ, наприклад, амоніту №6ЖВ, в який введено спіральний елемент ДШ. Позначаючи швидкості детонації штатної ВР, ВР бойовика і ДШ відповідно через DВР, Dб і DДШ, визначимо потрібні параметри бойовика із спіраллю ДШ у відповідності з раціональним співвідношенням акустичних характеристик, тобто приймаємо імпеданс бойовика сб·Dб = 2,2•сВР·DВР.

Швидкість детонації бойовика в осьовому напрямку Dос буде залежати від швидкості поширення детонаційного процесу в спіралі ДШ з відповідними геометричними параметрами. З урахуванням збереження щільності бойовика при введенні в нього витка ДШ Dос = 2,2DВР. При DДШ = 8000м/с , DВР= 2500м/с і однакових щільностях ВР бойовика і заряду потрібно, щоб бойовик розкладався із швидкістю Dос= Dб = 2,2•DВР = 5500м/с.

Фактична швидкість детонації ВР бойовика (амоніту №6ЖВ) складає 3900м/с. Щоб збільшити її до 5500м/с, необхідно задати довжину lДШ у витку і його крок h. Згідно з (2) крок витка h = 5,945 r. Якщо прийняти радіус витка r=4см, то h = 23,8см, а h/d3. Довжина відрізка ДШ, що утворює такий виток, складе згідно з (1) lДШ = 34,6см. При таких параметрах витка спіралі буде забезпечено шукане співвідношення імпедансів.

В разі суттєвої різниці вихідних імпедансів бойовика і заряду (4…5 і більше) можливості керування їх співвідношенням через спіраль ДШ в бойовику можуть бути недостатніми. В цьому випадку спіраль ДШ слід розташувати в торцевій частині заряду на межі з ВР бойовика, повторивши вищенаведені розрахунки. Така комбінація системи “бойовик - заряд ВР із спіраллю ДШ - заряд” дозволить створити перехідну зону з проміжним акустичним імпедансом, який буде меншим імпедансу бойовика в 2,2 рази і більшим імпедансу ВР заряду теж в 2,2 рази, що виключить надлишкові втрати енергії ініціювання на акустичному рівні.

Спіральне розташування ініціатора в заряді радіусом rз обумовлює різну відстань бойовика від стінок свердловини (рис.5). Розбиваємо заряд на елементарні об'єми по висоті Vа = рZr і Vb = рZr (Z - довжина твірної заряду в циліндричній системі координат). Якщо відбудеться детонація в цих об'ємах, внутрішня енергія ПВ відповідно дорівнює:

; (3)

, (4)

де Ра й Рb - тиск ПВ в об'ємах Vа й Vb , k = cp/cV - співвідношення питомих теплоємностей при Р і V= Const; n - долі rз (n = 0,1; 0,2;…0,9), а= АС, b = АО.

В результаті перетворень співвідношення між тисками у ПВ і тривалостями відповідних імпульсів дорівнює:

, (5)

. (6)

Спіральне розташування ініціатора в заряді призводить до незвичайного процесу імпульсного впливу тиску ПВ на стінку свердловини. Після приходу імпульсу ініціатора в яку - небудь точку вправо від неї (А) на стінку свердловини (у точці С) діє тиск , а в протилежну сторону (у точці В) - тиск (у цьому випадку > ). При такій схемі тиск поширюється по спіралі щодо стінок свердловини, тобто чергуються слабкі й сильні імпульси тиску, у такий спосіб відбувається перерозподіл енергії вибуху.

На підтвердження розрахунків виконані експериментальні дослідження в полігонних умовах шляхом підривання поодиноких зарядів з масою mз = const по двох варіантах (лінійний і спіральний ініціатори) і чотирьох серіях, обумовлених різною кількістю витків спіралі й масою ВР ініціатора. Замірявся радіус вибухової порожнини rП . Дослідження в обох випадках при свідчать про перевагу спірального ініціювання (табл. 1).

Таблиця 1

Результати експериментів з лінійним і спіральним ініціаторами

№№ серії вибуху	Варіант конструкції ініціатора
	спіральний	лінійний
	Кільквитків nв, шт	Довжина спір. lc, м	Маса інц-ра mi, кг	Маса заряду mз, кг	Рад. порожнини rп, м	Довжина заряду lc, м	Маса інц-ра mi, кг	Маса заряду mз, кг	Рад. порожнини rп, м
1	2	0,63	0,0076	1,608	0,458	0,6	0,0076	1,608	0,417
2	4	0,71	0,0085	1,609	0,486	0,6	0,0085	1,609	0,431
3	6	0,82	0,0099	1,610	0,506	0,6	0,0099	1,610	0,448
4	8	0,96	0,0116	1,611	0,511	0,6	0,0116	1,611	0,465

Для обох випадків ініціювання спостерігається тісний зв'язок з коефіцієнтом кореляції, близьким до 0,99.

В розділі 4 вивчені способи активізації детонаційних процесів в сумішевих ВР та визначено ефективність різних типів підсилювачів детонаційного процесу.

Ініціювання ВР, що вміщує сторонні включення (тверді часточки, пустоти), відбувається скоріше, ніж ініціювання однорідної ВР, реакція в якій виникає внаслідок обємного розігрівання. З цієї причини детонація ВР з різними включеннями виникає при більш низькому тискові ініціювання, ніж для однорідних ВР.

Для гарантованої детонації ВР і підтримання стабільності даного процесу по довжині заряду в якості засобів ініціювання рекомендовано бойовики (шашки Т-400Г або патронировану ВР) з нитками ДШ у вигляді спіралі. На ділянках ВР в горизонтальних площинах, протилежних ниткам ДШ, для підвищення ефекту поперечної детонації ВР розміщуються тверді частинки - підсилювачі “гарячих точок”, в якості яких використовуються інертні матеріали з температурою плавлення 400...500°С (табл.2).

Виконаними дослідженнями впливу геометрії інертних часток на параметри термодинамічного процесу встановлено, що з позиції максимального збудження температури в “гарячих точках” вибухової суміші найбільший вплив справляють частки з плоскими гранями (кубоподібної або прямокутної форм). Даному фактору не надавалось особливого значення. Однак аналіз результатів розрахунків і дослідна їх перевірка показали, що для досліджуваних варіантів геометрії твердих часток або "включень" в складі ВР (кругла, трикутна, прямокутна форми) найбільший ефект спостерігається при частках с найбільшими гранями. Цей висновок підтверджується також результатами вимірювань швидкості детонації ВР з включеннями гранітної крошки з промитого відсіву фракції 0...5мм (табл. 3).

Таблиця 2

Характеристики твердих включень

Інертний матеріал	Твердість за шкалою Мооса	Температура плавлення, град
Бура Скло Камяна сіль Кальцит	3…4 7 2…2,5 3	560 800 804 1339

Таблиця 3

Параметри детонації ВР з включеннями

Тип ВР	Геометрія часток	Швидкість детонації, км/с
Грамоніт 79/21	кругла трикутна прямокутна	3,7 3,3 4,2
Грануліт АС-8	кругла трикутна прямокутна	3,5 3,1 3,75
Ігданіт	кругла трикутна прямокутна	3,0 3,7 4,4

З аналізу наведених даних видно, що інертні частки ”гарячі точки” обумовлюють зростання швидкості детонації в залежності від типу ВР на З...6%, а в залежності від геометрії часток - на 0,1...0,2 км/с для грамоніту 79/21, на 0,1...0,15 км/с для грануліту АС-8 і на 0,2...0,4 км/с для ігданіту. В залежності від геометрії часок швидкість детонації зростає в середньому на 34,7%. При цьому найбільш значення швидкості спостерігається при наявності часток з прямокутними гранями, а найменше - з трикутними. Частки круглої форми займають проміжне положення за даною оцінкою. Так, під час вибуху ВР, що вміщує частки з прямокутним гранями порівняно з частками трикутної форми, швидкість детонації більша на 27,3% для грамоніту 79/21, на 30% для грануліту АС-8 і на 46,7% для ігданіту.

Потенційно можливий обсяг використання пороху визначається рівнем його вартості й безпеки, що обумовлює різні технологічні варіанти застосування. За рахунок дисперсності конверсійних порохів застосування їх у свердловинних зарядах обумовлює утворення в процесі вибуху дискретного фронту детонаційної хвилі і зменшенню радіуса зони переподрібнення порід. Вплив дисперсності рекомендується оцінювати коефіцієнтом дисперсності г за формулою :

г = r3 /(r3 + ar), (7)

де r3 - радіус заряду, м; ar - характерний розмір окремої частки ВР, м.

Таким чином, величина радіусу зони переподрібнення, виходячи з формули, залежить також від радіусу заряду.

З метою обґрунтування безпеки й ефективності застосування домішок конверсійних піроксилінових порохів як регулятора детонаційного процесу проведені експериментальні дослідження їх сумішей з аміачною селітрою (АС) та різними поверхнево-активними речовинами (ПАР) зі зниженим вмістом дизельного палива (ДП).

Вибухові суміші із застосуванням пороху й ПАР перевірялися при вибухах накладних і свердловинних зарядів. Було досліджено 10 варіантів ВР. I - АС (80), порох (20); II - АС (70), порох (30); III - АС (60), порох (40); IV - АC/ДП 96/4 (90), порох (10); V - АC/ДП 96/4 (80), порох (20); VI - АC/ДП 97/3 (80), порох (20); VII - АC/ДП 97/3 (70), порох (30); VIII - АC/ДП 97/3 (60), порох (40); IX - АС/ПАР 93/7 (90), порох (10); X - АС/ПАР 97/3 (80), порох (20).

Вибухи зазначених ВР здійснювалися при дробленні гранітних негабаритних кусків шпуровими зарядами діаметром 36мм, масою 0,3…0,5кг і накладними зарядами масою 1…3кг.

Аналіз результатів вибуху негабаритів шпуровими зарядами показав, що ВР груп II…Х детонують без відмов, а групи I - з відмовами. При цьому зі збільшенням вмісту пороху росте бризантна дія ВР.

Вміст пороху в заряді в межах 20…40 % дозволяє руйнувати негабарити об'ємом 2…3м3.

В розділі 5 викладено матеріали з розробки методів керування процесом детонації зарядів ВР в шаруватих породних масивах. Масиви скельних порід здебільшого є тріщинуватими, з різним ступенем блочності, шаруватими, а отже, і різної міцності як у вертикальній, так і в горизонтальній площинах. Тому для досягнення необхідної якості дроблення гірської маси й підвищення безпеки робіт ділянкам масиву порід різної міцності повинна відповідати рівнозначна енергія вибуху, обумовлена параметрами його імпульсу. Останні залежать, у першу чергу, від конструкції зарядів ВР і методів їх ініціювання. Конструктивно такі заряди можуть комбінуватись по колонці з різних типів промислових ВР, що відповідали б чергуванню міцних і слабких шарів породи. В цьому випадку розвиток детонаційного процесу матиме нестаціонарний характер, що визначатиметься поширенням фронту детонації послідовно по більш потужних і слабких (низькодетонаційних) ВР. Якщо слідувати концепції акустичних взаємодій між активною і пасивною частинами лінійного заряду, кожна більш потужна частина заряду повинна мати імпеданс, що перевищував би імпеданс ВР в ділянці більш слабкої ВР щонайменше вдвічі, і підриватись незалежно, тобто в умовах багатоточкового ініціювання. Однак, якщо враховувати економічний фактор, слід уникати масового застосування потужних ВР, наприклад, вміщуючих тротил, (плюс ініціатор) без необхідності, яка на практиці в першу чергу диктується обводненістю порід.

Вихід на потрібний режим детонації в межах міцного шару породи можливий без заміни на цій ділянці звичайної ВР на більш потужну, лише застосовуючи у відповідних частинах свердловинного заряду допоміжний елемент у вигляді спіралі ДШ потрібних параметрів, що буде ініційований від детонації попередньої ділянки заряду без застосування будь - яких спеціальних засобів.

Підвищення якості дроблення вертикально шаруватих масивів гірських порід досягається розташуванням зарядів по сітці свердловин, першу з яких бурять у міцному шарі порід (наприклад, у дайці) з боку відслоненої поверхні уступу й продовжують у напрямках обох флангів і тилу блоку, що підривається, по лінії азимута простягання шару. При цьому місце розташування першої свердловини від границі поділу «шар - корінні породи» визначають ефективною відстанню за формулою:

, (8)

де - висота уступу, м; - кут падіння шару (дайки), град; - радіус зони дроблення від вибуху одиночного заряду ВР, м.

Для максимального використання енергії вибуху на дроблення порід буріння свердловин починають у дайці з боку відслоненої поверхні масиву й продовжують згідно з розрахунковою сіткою в напрямках обох флангів і тилу блоку, що підривається.

Аналогічно або разом з застосуванням спіральних активізаторів посилення ефекту збудження детонації ВР у зарядах досягається також розміщенням джерел "гарячих точок" відповідно ділянкам спіралі проти міцних шарів гірського масиву. За рахунок перерозподілу імпульсів детонаційних хвиль при максимальному їх впливі на стінки зарядної камери забезпечується неоднорідний напружено-деформований стан найбільш міцних шарів масиву порід і досягається підвищений ступінь дроблення гірської маси зі зниженням виходу негабаритних фракцій на 10…20 %.

З залученням виконаних досліджень складено і передано ВАТ “Миколаївцемент” для впровадження “Рекомендації щодо безпечного ведення підривних робіт на Демне-Добрянському та Щирецькому кар'єрах ВАТ Миколаївцемент”. Розрахунковий річний економічний ефект від впровадження методів керування детонаційним процесом при масових вибухах свердловинних зарядів ВР становить понад 80,0 тис. грн.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково - дослідною роботою, у якій вирішено актуальне наукове завдання розробки методів започаткування, розвитку й підтримки детонації низькошвидкісних сумішевих вибухових речовин у подовженому заряді, що має особливе прикладне значення при руйнуванні шаруватих порід різної міцності.

При виконанні досліджень у дисертаційній роботі отримані наступні наукові й практичні результати:

1. Встановлено, що відповідно до існуючих теоретичних і прикладних досліджень фізики й механіки взаємодії в системі “ініціатор - заряд - середовище” недостатньо вивчено ключові фактори, що забезпечують оптимальний механізм збудження процесу детонації і передачі енергії вибуху подовженого заряду в середовище і мають враховувати особливості трансформації детонаційних хвиль у промисловому заряді та структурно - текстурний склад руйнованого масиву.

2. При доборі ініціатора необхідно враховувати його геометричні параметри - висоту й діаметр, які визначають величину активної частини маси ініціатора і, згідно з експериментальними даними, потребують раціональних співвідношень, при цьому необхідно намагатись досягнути діаметра бойовика, наближеного до діаметра заряду.

3. Аналіз встановлених залежностей між геометричними й енергетичними параметрами ініціюючого заряду, з однієї сторони, та масовою швидкістю в ініційованому середовищі свідчить про домінуючу роль взаємодії ініціатора й ініційованого об'єкта на рівні акустичних імпедансів двох середовищ. Ефективність цього механізму пов'язана з явищами відбиття і заломлення хвилі на межі поділу середовищ. Максимальний ефект досягається при співвідношенні між акустичними імпедансами бойовика і заряду у межах 2…2,2.

4. Аналітичними і експериментальними дослідженнями встановлено, що застосування в конструкції подовженого заряду спіральних ініціюючих пристроїв і введення в склад сумішевих ВР інертних твердих часток в якості підсилювачів "гарячих точок" дозволяє керувати детонаційним процесом в зоні розгону детонації і контролювати ефективність перерозподілу і передачі енергії детонуючого свердловинного заряду руйнованому середовищу.

5. Підвищення технологічної і економічної ефективності управління детонаційним процесом при вибуху зарядів ВР досягається застосуванням в зарядах сумішевих ВР конверсійних боєприпасів, підготованих за відповідними технологіями.

6. Для умов структурно неоднорідних скельних масивів, що характеризуються наявністю горизонтальної і вертикальної шаруватості, обгрунтовано розрахункові формули для визначення параметрів спірального ініціатора, конструкції, розмірів и геометрії мережі розташування зарядів ВР з урахуванням орієнтування найбільш міцних шарів.

7. Від впровадження розроблених методів керування детонаційним процесом при веденні підривних робіт свердловинними зарядами ВР на кар'єрах досягається річний економічний ефект у сумі понад 80,0 тис. грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у публікаціях:

Повышение эффективности взрывного дробления разнопрочных пород с вертикальной слоистостью /В.Д. Воробьев, В.А. Плаксий, С.Б. Александренко, В.Л. Демещук // Уголь Украины. - К.: Техника. - 1993. - № 6. - С. 27-28.

Демещук В.Л. Розробка конструкцій свердловинних зарядів вибухових речовин підвищеної безпеки //Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 1998. - В.1. - С. 108-114.

Безпечне застосування сумішевих вибухових речовин / В.Д. Воробьев, В.І. Плужник, В.Л. Демещук, І.В. Косьмін //Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 1999. - В.2. - С. 109-117.

Демещук В.Л. Безпечність систем ініціювання і підривання зарядів з циліндричною осьовою порожниною // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2000. - Вип.3. - С. 90-96.

Дослідження комбінованого електровибуху для руйнування гірських порід /В.Д. Воробйов, В.І. Плужник, В.Л. Демещук, Л.Д. Воробйова // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2001. - Вип. 4. - С. 53-57.

Воробьев В.Д., Масюкевич А.М., Демещук В.Л. Влияние спирального инициатора на параметры детонации зарядов взрывчатых веществ //Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”: ЗАТ “Техновибух”. - 2001. - Вип. 5. - С. 40-48.

Воєводка А., Демещук В.Л. Забезпечення оптимального режиму детонації свердловинних зарядів шляхом застосування подовжених ініціаторів // Проблеми охорони праці в Україні: Зб. наук. праць. - К.: ННДІОП. - 2002. - В.3. - С. 41-48.

Кравец В.Г., Демещук В.Л. Влияние геометрических и энергетических параметров инициатора на механизм развития детонации в удлиненном заряде // Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”: ЗАТ “Техновибух”. - 2002. - Вип. 7. - С. 64-71.

Воробьев В.Д., Масюкевич А.М., Демещук В.Л. Экспериментальное обоснование эффективности применения спирального инициатора зарядов смесевых взрывчатых веществ //Вісник НТУУ “КПІ”. Серія “Гірництво”: Зб. наук. праць. - К.: НТУУ “КПІ”: ЗАТ “Техновибух”. - 2005. - Вип. 12. - С. 19-26.

Energetyczna efektyvnoњж wybuchu wydluџonych Ladunkow Materialьw wybucbowych z kierowaniem frontem fali detonacyjnej / A.A. Wowk, W.D. Worobiow, W. Demieszchuk, W. Rogoџnikowa, I. Parchanski // Miedzynarodowa Konferencia II Szkola Geomechaniki. - Gliwice (Polska). - 1995. - C. 395-406

Влияние геометрии и места расположения детонирующего шнура на процесс детонации скважинных зарядов ВВ / В.Д. Воробьев, А.А. Фролов, В.Л. Демещук, А.Э. Кураколов // Проблемы гидрогеомеханики в горном деле и стр-ве. Матер. конференции. - К.: Знание. - 1996. - Ч.2. - С. 69-71.

Плужник В.И., Демещук В.Л., Воеводка А.-Т. Вопросы механики разрушения негабарита на открытых горных работах // Miedzynarodowa Konferencia III Szkola Geomechaniki. - Gliwice (Polska). - 1997. - S.163-168.

Демещук В.Л. Расчет параметров скважинных зарядов при короткозамедленном взрывании // Рекомендации по снижению энергоемкости буровзрывных работ на карьерах / В.Д. Воробьев, А.И. Крючков, В.С. Прокопенко, П.И. Толкач, А.А. Фролов. - К.: НТУУ “КПИ”. - 1996. - Ч. 4. - С. 22-42.

АНОТАЦІЯ

Демещук В.Л. Управління детонаційними процесом в подовжених зарядах при руйнуванні породних масивів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.03 “Відкрита розробка родовищ корисних копалин”. Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2008.

У дисертації з метою підвищення ефективності управління процесом детонації подовжених зарядів для забезпечення максимальної передачі енергії вибуху в масив, що руйнується,. oбґрунтовано механізм розвитку детонаційного процесу заряді з урахуванням геометричних та енергетичних параметрів бойовика та його взаємодії на акустичному рівні з ініційованим зарядом.

В якості ефективних засобів реалізації енергії вибуху розроблено раціональні методи її перерозподілу в системі “бойовик - заряд - середовище” за рахунок застосування спірального ініціатора заданих параметрів та твердих домішок оптимальної форми до ВР, включаючи конверсійні порохи, що слугують джерелами “гарячих точок”.

Запропоновано порядок буріння та спосіб розрахунку параметрів мережі свердловин, раціональні конструкції комбінованих свердловинних зарядів у застосуванні до умов руйнування шаруватих порід різної міцності.

Ключові слова: ініціатор, механізм передачі, акустичний імпеданс, перерозподіл енергії, відбиття, спіраль, гаряча точка, дайка, комбінований заряд.

АНОТАЦІЯ

Демещук В.Л. Управление детонационным процессом в удлиненных зарядах при разрушении породных массивов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.03 - Открытая разработка месторождений полезных ископаемых. - Национальный технический университет Украины “КПИ”. Киев, 2008.

В диссертации с целью повышения эффективности управления процессом детонации удлиненных зарядов для обеспечения максимальной передачи энергии взрыва в разрушаемый массив обоснован механизм развития детонационного процесса с учетом геометрических и энергетических параметров боевика.

Изучены особенности развития детонационных явлений на контакте удлиненного заряда с боевиком, состоящих в образовании зоны неустойчивой детонации в торце заряда вследствие особенностей взаимодействия разнородных по энергетике, плотности и детонационным характеристикам взрывчатых веществ боевика и инициируемого заряда подобно известному явлению акустического взаимодействия систем в динамическом режиме. Получена обобщенная зависимость между активной частью энергии инициатора, кинематическими параметрами ударной волны в инициируемой среде и долей переходящей в среду энергии инициатора, объединяющая высоту, диаметр, детонационные характеристики боевика с массовой скоростью в среде, приведенной к акустическому импедансу боевика.

В развитие идеи перераспределения энергии взрыва за счет изменения направления фронта детонационной волны относительно стенок зарядной полости обосновано условие рационального расположения спирального инициатора в боевике или заряде.

Выполнены исследования по применению в рассчитанных частях заряда или в переходных между его частями зонах возбудителей “горячих точек”, которыми служат инертные включения, а также конверсионные пороха различных марок. Установлено, что с позиции максимального возбуждения температуры в “горячих точках” взрывчатой смеси наибольшее воздействие оказывают частицы с плоскими гранями. Применение конверсионных порохов в скважинных зарядах за счет их дисперсности обусловливает образование дискретного фронта, способствующего уменьшению радиуса зоны переизмельчения. Анализ результатов взрывания смесевых ВВ с пороховыми добавками в накладных и шпуровых зарядов позволил выделить группы ВВ по составу, обеспечивающие безотказную их работу в требуемом режиме.

Поскольку разнопрочным участкам массива с горизонтальной и вертикальной слоистостью должна соответствовать равнозначная энергия взрыва, рекомендованы рациональные конструкции зарядов, способы их инициирования и методические положения расчета сетки скважин, исходя из наличия ассортимента ВВ.

Ключевые слова: инициатор, механизм передачи, акустический импеданс, перераспределение энергии, отражение, спираль, горячая точка, дайка, комбинированный заряд.

ABSTRACT

Demeshchuk V.L. The detonation process management in column charges under rock mass breaking. The Manuscript.

Dissertation on competition for a candidate degree in engeneering on speciality Opencast Mining. National technical University of Ukraine “KPI”, Kiev, 2008.

An order to raise the effectivness of column charges detonation process management for maximal transference of explosive energy in breaking rock massive mechanism of detonation process development has been grounded in the dissertation. Geometrical and energetical parameters of initial charge and its interaction with initiated column charge on acoustical level have been took in consideration.

As effective means for blast energy implementation in “initial charge - column charge - rock massive” system rational methods of energy redistribution by using of spiral initiators and hard agents as “hot points” mechanism intensificators have been elaborated.

The order of drilling and way of hole system calculation, rational constructions of combined hole charges for breaking of bedded rock massives with different strength have been proposed.

Key Words: initiator, mechanism of transference, acoustic impedance, energy redistribution, reflection, spiral, hot point, dike, combined charge.

Размещено на Allbest.ru

...