Стабілізація детонації свердловинних зарядів вибухової речовини при відбиванні гірських порід різної міцності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство праці та соціальної політики України

Комітет по нагляду за охороною праці України

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

УДК 622.235

Стабілізація детонації свердловинних зарядів вибухової речовини при відбиванні гірських порід різної міцності

05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Завіша Єжи

Київ 1999

Дисертація є рукописом.

Роботу виконано в Інституті гідромеханіки НАН України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кравець Віктор Георгійович, Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедрою.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук Воробйов Віктор Васильович, Кременчуцький державний політехнічний інститут, професор;

кандидат технічних наук Мітюк Людмила Олексіївна, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, старший науковий співробітник.

Провідна установа - Криворізький технічний університет, м.Кривий Ріг.

Захист відбудеться “_4___” лютого 2000 р. о _14____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 в Національному науково-дослідному інституті охорони праці за адресою: м.Київ-60, вул.Вавілових, 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ННДІОП, м.Киів-60, вул. Вавілових,13.

Автореферат розісланий “_29____” грудня 1999 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент Ковтун І.М.

детонація свердловинний гірський

АНОТАЦІЯ

Завіша Є.Т. “Стабілізація детонації свердловинних зарядів ВР при відбиванні гірських порід різної міцності”; дисертаційна робота на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - “Фізичні процеси гірничого виробництва”, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, Київ, 1999 р.

Викладено результати наукових досліджень, наукові та практичні рекомендації, спрямовані на підвищення детонаційних характеристик свердловинних зарядів ВР при уступній розробці породних масивів різної міцності на кар'єрах. Визначено умови, за яких в разі взаємодії ударних та детонаційних хвиль в системі свердловинних зарядів виникає можливість припинення детонації в сприймаючих ударну хвилю зарядах, особливо при наявності поверхонь розділу ділянок масиву з суттєво різними міцнісними характеристиками; вивчено характер розподілу енергії хвиль напружень, генерованих системою свердловинних зарядів в різноміцнісному масиві та визначено відповідні параметри вибухових робіт в приконтактних зонах; встановлено ефективність використання при відбиванні гірських порід вибухових сумішей, що складаються з промислових грубодисперсних вибухових речовин та недетонуючих спеціальних домішок.

Ключові слова: вибухові речовини, детонація, заряд, кар'єр, недетонуючі домішки, різноміцнісні породи, свердловина, відбивання, шаруваті середовища.

АННОТАЦИЯ

Завиша Е.Т. “Стабилизация детонации скважинных зарядов ВВ при отбойке разнопрочных горных пород”; диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - “Физические процессы горного производства”,. Национальный научно-исследовательский институт охраны труда, Киев, 1999 г..

Развитие открытых разработок с увеличением их глубины существенно меняет горно-геологические и горно-технологические условия, приводит к росту обводненности пород, разнопрочности контактирующих блоков массива, уменьшению размеров рабочих площадок. В таких условиях возникают дополнительные трудности в обеспечении устойчивой детонации системы скважинных зарядов.

В диссертационной работе приводятся результаты научных исследований, выполненных с целью выявления причин неполной детонации в системе скважинных зарядов и соответственно низкого качества дробления горных пород в приконтактных зонах блоков и слоев с существенно различной прочностью, определения рациональных параметров взрывных работ в сложных горнотехнологических условиях, установления возможности применения в таких условиях промышленных грубодисперсных ВВ в смеси со специальными недетонирующими добавками, позволяющими повысить качество дробления пород, снизить стоимость взрывных работ по статье “взрывчатые материалы” и решить актуальную задачу утилизации материалов оборонного назначения.

Исходя из положения, что при взрывании серии удлиненных зарядов грубодисперсных ВВ, заметно изменяющих параметры детонации с изменением плотности заряда, растет вероятность негативного воздействия ударных волн, генерированных ранее взорванными зарядами, на взрываемые позже группы зарядов, изучен механизм взаимодействия ударных и детонационных волн в системе скважинных зарядов; установлено, что с увеличением коэффициента разнопрочности массива возрастает степень неравномерности распределения энергии импульсов волн напряжений в приконтактных зонах, что необходимо учитывать при выборе очередности взрывания в серии.

Повышение эффективности взрывных работ достигается обеспечением неперерывности процесса детонации и применением взрывчатых составов из гранулированных смесевых промышленных ВВ, пористых и эмульсионных ВВ со специальными недетонирующими добавками в оптимальных соотношениях, обеспечивающих заданную работоспособность взрывчатых составов при уменьшенном содержании в них ВВ заводского изготовления.

Ключевые слова: взрывные работы, взрывчатые вещества, детонация, заряд, карьер, недетонирующие добавки, разнопрочные породы, скважина, отбойка, пористые среды.

ANNOTATION

Zavisha E.T. “Improvement of detonation properties of the system of borehole explosive charges while mining of horizons in opencast mines”.

Doctor's dissertation to obtain a doctor's degree of technical science (candidate of technical sciences) in the major 05.15.11 - „Physical processes of mining production” National Scientific Research Institute of Labour Protection, Kiev 1999.

The delivery regards scientific works in which scientific and practical recommendation have been presented focused on improvement of detonation properties of borehol explosive charges while mining horizons in open-cast mines. The conditions have been determined under which fading (breaking) of detonation in passive charges occurs in the result of interaction of impact and detonation waves in the system of borehole explosive charges. The character of separation of energy of stresses waves was investigated and advised parameters of shotfiring works with borehole charges was determined in the zone of circum-contact rocks with differentiated strength. The principality has been determined regarding utilisation of explosive mixtures during mining of horizon consisting of industrial explosives and special non-detonation additives.

Key words: explosives, detonation, charge, opencast mines, non-detonating additives, rocks with differentiated strength, shot-firing hole, mining of rocks.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність досліджень. На багатьох експлуатованих кар'єрах по видобутку будівельних матеріалів з глибиною суттєво змінюються не тільки гірничогеологічні, але й гірничотехнологічні умови розробки. Це пов'язано в першу чергу з тим, що зростає обводненість гірських порід, питома вага яких становить на деяких кар'єрах більше 70%. Крім того, з глибиною зростає міцність гірських порід, більш чітко вирізняється шаруватість та різниця в міцності контактуючих шарів гірських порід. Особливо слід відзначити зростання складності гірничотехнологічних умов розробки, що виявляється в зменшенні розмірів робочих майданчиків, на яких виконуються основні роботи, пов'язані з уступним відбиванням. У таких умовах виникають додаткові труднощі в забезпеченні стійкої детонації зарядів вибухових речовин (ВР), що є іноді головною причиною поодиноких та групових відказів. Внаслідок порушення нормального режиму детонації відбувається неякісне подрібнення гірської маси з усіма наслідками, що з цього випливають.

У зв'язку з цим виникає необхідність проведення наукових досліджень з метою виявлення причин неповної детонації свердловинних зарядів, низької якості подрібнення гірських порід у приконтактних зонах породних блоків різної міцності, а також визначення доцільності та можливості використання при вибуховому відбиванні сумішей промислових ВР і спеціальних газоутворюючих невибухових домішок, що дозволяють підвищити якість подрібнення гірських порід, зменшити вартість вибухових робіт за статтею “вибухові матеріали” і вирішити актуальне завдання утилізації конверсійних матеріалів оборонного призначення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана автором згідно з пріоритетним напрямком “Використання енергії вибуху в прикладних задачах гірничої справи”, планом НДР Інституту гідромеханіки НАН України 1995-1998 рр. “Розробка наукових основ ефективного та безпечного використання енергії вибуху подовжених зарядів ВР у гірничодобувних та будівельних організаціях України”, затвердженим Бюро відділення механіки НАН України 17.11.94 р. №9, §2, в якому автор приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в підвищенні ефективності вибухових робіт при уступному відбиванні гірських порід у специфічних умовах порід різної міцністі за рахунок забезпечення стабільної детонації свердловинних зарядів із промислових ВР зі спеціальними недетонуючими домішками. Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі досліджень:

обгрунтувати взаємодію ударних і детонаційних хвиль та встановити їх вплив на режим детонації свердловинних зарядів;

визначити вплив ступеня різноміцності масивів гірських порід на розподіл енергії хвиль напруги при підриванні системи свердловинних зарядів;

встановити вплив спеціальних недетонуючих горючих домішок до промислових ВР на детонаційні характеристики суміші;

розробити і впровадити у виробництво практичні рекомендації за результатами досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше встановлено ступінь впливу ударних хвиль раніше здетонованих зарядів на режим детонації наступних зарядів;

доведена наявність зон, в яких режим детонації визначається інтенсивністю ударної хвилі на межі розподілу середовищ “масив-заряд”;

визначено вплив коефіцієнта різноміцності середовищ, що руйнуються, на ступінь розподілу хвиль напружень у приконтактних зонах;

вперше встановлено вплив вмісту спеціальних домішок у вибухових сумішах промислових грубодисперсних ВР на швидкість детонації та її сталість.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці технологічного методу вибухового руйнування масиву гірських порід різної міцністі, що базується на режимних параметрах підривання, які забезпечують повноту детонації свердловинних зарядів промислових ВР, у тому числі їх сумішей зі спеціальними недетонуючими пальними домішками оптимального складу.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій, що випливають з роботи, підтверджено аналітичними дослідженнями, коректним застосуванням методів планування експериментів і математичної обробки даних, експериментальними даними щодо ефективності розробленого методу.

Розроблений технологічний метод вибухового руйнування масиву порід різної міцності на кар'єрах реалізовано в умовах каменоломні “Малогощ”, методи локалізації вибухових динамічних навантажень пористими діафрагмами застосовано Центральною гірничорятувальною станцією на шахтах Сілезського басейну.

Особистий внесок здобувача.

Особисто автором обрана тема дисертації, визначені її мета і завдання досліджень, а також сформульовано основні її наукові положення. Досліджено закономірності взаємодії ударних та детонаційних хвиль [3], а також розподіл енергії хвиль напружень у сфері дії системи свердловинних зарядів з урахуванням особливостей гірничогеологічних умов, міцності та щільності середовища, що сприймає динамічне навантаження вибуху4. Досліджено детонаційні характеристики промислових грубодисперсних ВР з домішками недетонуючих газоутворюючих продуктів 3. Автор особисто керував роботами по дослідно-промисловій перевірці основних положень у виробничих умовах 1,2,7. Автор висловлює щиру подяку своєму науковому керівнику проф. Кравцю В.Г. і доктору-інж. Р.Жилінському за наукові консультації та цінні поради, що сприяли покращенню дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Окремі положення дисертації доповідались на семінарах і науково-технічних радах Сілезського технічного університету (Польща, м.Глівіце, 1999р.), Національного науково-дослідного інституту охорони праці (Україна, м.Київ, 1999р.), відділу прикладної геодинаміки вибуху Інституту гідромеханіки НАН України (м.Київ), на семінарі Головного гірничого інституту (Польща, м.Катовіце, 1999р.), на міжнародній конференції “Оцінка екологічного стану навколишнього середовища при реструктуризації вугільної промисловості” (Україна, м.Слов'яногірськ, 1999 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових статей.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав і заключення, викладених на 157 сторінках машинописного тексту, включаючи 18 таблиць, 21 малюнок, список використаних джерел із 146 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації виконано обгрунтування актуальності вирішуваної задачі, мети та основних наукових напрямків.

Дослідження проведено за структурною схемою (рис.1), що відображає весь комплекс робіт від постановки завдання до отримання науково-практичних результатів, головний зміст яких складається в наступному.

У 1 розділі розглянуто і проаналізовано погляди на механізм руйнування гірських порід вибухом, уявлення про процес детонації грубодисперсних вибухових речовин, а також виділено вирізнюючі особливості вибухових робіт на кар'єрах по видобуванню будівельних матеріалів.

Дослідженнями в цій області займалися Є.Г.Баранов, В.Ф.Бизов, В.В.Бойко, О.О.Вовк, В.В.Воробйов, В.Д.Воробйов, Г.П.Демидюк, М.Ф.Друкований, Е.І.Єфремов, В.М.Комір, В.Г.Кравець, М.В.Кривцов, Р.С.Крисін, Ф.І.Кучерявий, П.З.Луговий, І.А.Лучко, Ю.С.Мец, В.Д.Петренко, Г.Й.Покровський, К.Н.Ткачук, П.Й.Федоренко, В.Н.Ханукаєв, Ю.Б.Харитон, З.Ондерка, М.Кук, В.Паговськи, А.Маранда, І.Новачевські, В.Тум тощо.

Завдяки результатам досліджень згаданих вчених склались практично загальноприйняті уявлення про механізм руйнування гірських порід вибухом, що дозволяють проводити на їх основі подальші дослідження, спрямовані на вдосконалення вибухового руйнування масивів у специфічних умовах кар'єрів будівельних матеріалів, які відрізняються суттєвим зростанням питомої ваги важкоруйнівних порід при збільшенні глибини розробки. Незважаючи на те, що процес детонації промислових ВР досліджено достатньо повно, тим не менш при підриванні систем свердловинних зарядів режим і сталість детонації в суміжних зарядах, які взаємодіють у певному проміжку часу, вивчено недостатньо. Потребує також подальшого дослідження вплив рецептур вибухових сумішей із промислових грубодисперсних ВР та спеціальних домішок на швидкість детонації в свердловинних зарядах. До цього часу відсутні ефективні технологічні методи вибухового уступного відбивання в специфічних умовах порід різної міцності, основані на стабілізації детонації свердловинних зарядів із промислових ВР та спеціальних домішок до них.

Огляд сучасного стану розвитку вибухових технологій переважно в Україні, а також в Польщі, показав, що внаслідок суттєвих політичних та економічних змін у цих країнах вибухова справа стосовно гірничого виробництва набула нових відчутних змін, пов'язаних у значній мірі з вивільненям великої кількості боєприпасів та відповідно вибухових речовин і порохів, що підлягають конверсії. Застосування таких речовин у гірничій практиці потребує не тільки технічного опрацювання методів їх підготовки та адаптації до конкретних гірничотехнічних умов, але й дослідження і опрацювання оптимальних умов їх впровадження у виробництво, що опиралися б на достатньо розвинуту наукову базу.

Опираючись на виконаний огляд актуального стану вибухової справи в гірництві та її наукової сторони, що базується на ширкому спектрі досліджень механизму руйнування гірських порід та засобів керування цим процесом через добір вибухових матеріалів, способів їх ініціювання в промислових зарядах та технологічних прийомів, що враховують взаємодію хвиль напружень і детонаційних хвиль в системі зарядів, визначено вищеперелічені задачі досліджень.

У 2 розділі наведено результати аналізу та дослідження впливу різних факторів на повноту детонації зарядів ВР при виконанні вибухових робіт, викладено методику досліджень процесу взаємодії ударних та детонаційних хвиль між собою та дії цих хвиль на поруваті середовища з метою розробки оптимальних режимів управління власне детонацією зарядів та системою динамічних імпульсів, що породжуються цими зарядами в гірському масиві.

Для отримання стійкої детонації, що забезпечує максимально можливе виділення енергії ВР у масив, який руйнується, велике значення мають параметри ініціюючого імпульсу. Для кожного типу ВР та певної їх щільності існує відповідний ініціюючий імпульс, необхідний для забезпечення нормального розвитку детонації в промисловому заряді. Застосування надто потужних ініціюючих імпульсів може призвести до нестійкої детонації, що пояснюється збільшенням розкидання ініційованої вибухової речовини. З іншого боку, при слабкому ініціюючому імпульсі детонація або не відбувається взагалі, або вона наближається до нормальної величини швидкості, притаманної для даного типу ВР, або, загасаючи, переходить у горіння. В таких умовах навіть невелика перешкода може бути причиною зриву детонації, що призводить до відмови або вигоряння заряду ВР з усіма негативними наслідками для вибухового відбивання.

При затуханні детонації, викликаному канальним ефектом, відбувається не тільки стиснення та ущільнення нездетонованої частини зарядів ВР, розташованих у шпурі або свердловині, але також їх зсув від попереднього положення. При цьому в більшості випадків ослаблення або втрата детонаційної здатності ВР та ініціюючої здатності детонаторів відбувається в момент підривання серії зарядів внаслідок ущільнення та деформації зарядів і детонаторів хвилями стиснення, що поширюються масивом від вибуху сусідніх зарядів.

Протікання процесу детонації залежить, крім того, від взаємного розташування зарядів, їх потужності, тривалості імпульсу вибуху тощо. Отже, причиною відказів може бути також акустична взаємодія детонованих зарядів. При вибуху системи зарядів складаються умови, коли внаслідок впливу ударних хвиль раніше здетонованих зарядів ВР на ще не здетоновані в останніх спостерігається порушення нормального режиму детонації. По-перше, змінюється щільність ВР, в якому протікає детонація, а по-друге, відбувається зіткнення ударних та детонаційних хвиль, що за своєю фізичною сутністю відповідає процесу взаємодії ударних хвиль. Різниця складається лише в тому, що детонаційні хвилі поповнюються енергією за рахунок існування зони хімічної реакції - джерела теплової енергії. Однак ударна хвиля, що перетнула межу “середовище-заряд”, може перетворитись на хвилю детонаційну, підсилюючи своєю дією існуючу детонаційну хвилю, або до зустрічі з нею привести заряд до стану, що завадить подальшому розповсюдженню детонаційної хвилі.

Тиск у місці нормального зіткнення двох хвиль можна представити у вигляді:

де Р1 - початковий тиск, Па;

Р - приріст тиску в хвилі внаслідок її зіткнення з іншою хвилею або внаслідок відбиття даної хвилі від жорсткої площини, Па.

Величина Р у більшості випадків значно перевищує Р1. Тиск у місці зіткнення двох ударних хвиль під кутом визначається з виразу

де б - кут між нормалями і фронтами хвиль, що стикаються, град.

При зіткненні кількох ударних хвиль тиск у місці зіткнення надзвичайно швидко зростає в міру збільшення числа хвиль, що стикаються.

У місці зіткнення хвиль у заряді ВР відбувається переущільнення, що викликає сильне розкидання речовини при порівняно незначному збільшенні швидкості реакції та призводить до загасання процесу детонації на певній ділянці заряду, ще не здетонованій під дією власної детонаційної хвилі. Існує також вірогідність розвитку в заряді промислової ВР хвиль розрідження, які призведуть до зменшення щільності вибухової речовини до ступеня, який викличе або різке зниження швидкості реакції при деякій відмінності щільності ВР від критичної для даної речовини, або переривання детонації при щільності ВР, значно меншій ніж критична.

У зв'язку з проблемою можливих відказів і вигоряння ВР, особливо в подовжених одностороньо ініційованих зарядах, виконано дослідження щодо з'ясовування закономірностей процесу детонації зарядів ВР у системі паралельних лінійних зарядів.

Експериментальні дослідження виконувались за достатньо випробуваною схемою фіксації сліду від вибуху заряду на металевій пластинці. Досліджувалась взаємодія двох паралельних зарядів, які ініціювались від відрізків детонуючого шнура різної довжини з тим, щоб забезпечити різницю в часі вибуху першого “активного” заряду і другого “пасивного”. Тут “активним” названо заряд, який є джерелом ударної хвилі в середовищі, що вміщує обидва заряди. Розміри інертного проміжка-перепони між зарядами складали від 65 до 120 мм. Інертний проміжок був представлений матеріалами з різною акустичною жорсткістю - бетоном, вапняком та їх комбінаціями. В якості ВР використовувались суміші амоніту з гранульованою аміачною селітрою в співвідношенні 80/20 та 85/15. Розвиток процесу детонації поряд з традиційною фіксацією сліду на металевій пластинці вивчався за допомогою іонізаційних датчиків, з'єднаних з електронною апаратурою через багатоканальний підсилювач.

У результаті проведених досліджень та їх статистичної обробки встановлено, що повнота детонації “пасивного” заряду залежить від товщини інертної перепони, її акустичної жорсткості та часу сповільнення. Довжина сліду розглядалась як функція виходу, що залежить від перелічених параметрів та швидкості детонації ВР. При цьому встановлено, що збільшення акустичної жорсткості збільшує товщину перепони, через яку ударна хвиля “активного” заряду, діючи на “пасивний” заряд, припиняє детонацію в ньому. Це пояснюється тим, що кількість енергії, що приходиться на контакт заряду з перепоною, залежить від акустичної жорсткості продуктів детонації та інертного середовища. Із збільшенням акустичної жорсткості перепони це співвідношення збільшується, отже збільшується тиск ударної хвилі, що діє на “пасивний” заряд.

Інтервал товщини перепони, в якому спостерігається явище зривання детонації “пасивного” заряду (межа зони ударного гасіння детонації rу.г.) дією ударної хвилі “активного” заряду, можна визначити за формулою

де - радіус заряду;

К - коефіцієнт затухання;

Р0 - максимальний тиск продуктів детонації ВР;

Рк - критичний тиск;

,

де - щільність ВР;

Д - швидкість детонації;

пор - щільність породи;

спор - швидкість поздовжної хвилі в породі.

При однаковій товщині перепони довжина детонуючої частини заряду залежить від часу сповільнення між початком ініціювання “активного” та “пасивного” зарядів, а також від акустичної жорсткості перепони. Збільшення часу сповільнення призводить до зменшення довжини здетонованої частини “пасивного” заряду і переважно визначається акустичною жорсткістю перепони.

Враховуючи те, що існує тенденція до застосування на відкритих роботах зарядів більшого діаметру, розглянемо взаємодію при цьому ударних та детонаційних хвиль. Інтервал сповільнення між окремими групами зарядів прийнято рівним 25-35 мс. Хвиля напружень проходить відстань між зарядами за 2-3 мс. Тривалість імпульсу хвилі напружень для цих зарядів складає десятки мілісекунд. При підході хвилі напружень до заряду її енергія переходить у заряд та викликає ущільнення ВР з наступним його переміщенням u. Внаслідок цього в окремих частинах заряду відбувається зменшення щільності та навіть утворення рухомої щілини (розриву), що викликає припинення детонації. Відносну зміну щільності за будь-який проміжок часу Т можна визначити за формулою:

де - початкова щільність ВР, кг/м3;

d - товщина перепони, мм;

u - переміщення, мм.

Внаслідок дії вибуху зарядів попередньої групи свердловинний заряд або його окремі частини можуть мати підвищену або зменшену щільність, яка в процесі детонації може виявитися вище або нижче критичної. Такий заряд або окремі його частини можуть не здетонувати,тоді детонація або переходить у горіння, або припиняється, тобто одержується відказ, що спостерігається при вибухах у промислових умовах.

Виходячи з викладеного, можна визначити умови, за яких внаслідок взаємодії ударних та детонаційних хвиль або послідовної їх дії на окремі частини заряду відбувається гасіння детонації в “пасивному” заряді.

У 3 розділі викладено результати дослідження впливу складу ВР та властивостей гірських порід на поглинання енергії хвиль напружень, а також наведено результати вибухового руйнування шаруватих гірських порід із застосуванням вибухових сумішей промислових ВР з недетонуючими спеціальними домішками. Особливу увагу приділено визначенню працездатності таких сумішей.

Проведені в промислових умовах дослідження дозволили встановити взаємозв'язок між коефіцієнтом поглинання енергії хвиль напружень, параметрами ВР та властивостями середовища, що руйнується. Апаратура дозволяла одночасно реєструвати швидкості зміщення та швидкості детонації. Результати досліджень дозволили встановити, що із зменшенням швидкості детонації нижче оптимальної коефіцієнт затухання хвиль напружень різко зростає, а із збільшенням швидкості детонації виположується в пряму лінію.

Із збільшенням глибини розробки зростає питома вага порід різної міцністі у контактуючих шарах, що суттєво змінює картину взаємодії та конфігурацію поля хвиль напружень у приконтактних зонах. При цьому важливою обставиною є напрямок розповсюдження вибуху в системі зарядів. На рис.2 показано залежність величини переміщення масиву від співвідношення акустичних жорсткостей пластів А1/А2 при різному напрямку підривання системи зарядів: з боку порід з меншою акустичною жорсткістю і відповідно меньшою міцністю (крива 1) та, навпаки, з боку порід з більш високими названими показниками (крива 2). Як випливає з цих даних, при першому підриванні зарядів, розташованих у менш міцних породах, величина переміщення в контактуючих породах з більшою міцністю набагато вище, ніж при підриванні зарядів у більш міцних породах. Це дозволяє зробити важливий для практики висновок про те, що з метою отримання рівномірного подрібнення при руйнуванні гірських порід у приконтактних зонах необхідно в першу чергу підривати заряди, розташовані в менш міцних, більш стисливих породах, що мають меншу акустичну жорсткість. Висока якість вибухової підготовки в цих умовах може бути досягнута при використанні короткосповільненого підривання з оптимальними інтервалами сповільнення, які створюють умови зіткнення падаючих хвиль від вибуху свердловинних зарядів, розташованих по обидва боки поверхні контакту. Значення інтервалу сповільнення коливається в межах 15-20 мс у залежності від коефіцієнта різноміцності.

Разом з тим слід зазначити, що висока надійність детонації досягається при миттєвому підриванні зарядів по обидва боки приконтактної зони.З метою зниження вартості вибухових робіт за статтею “вибухові матеріали” досліджено детонаційні процеси в зарядах промислових ВР за участю конверсійних продуктів, у т.ч. спеціальних газоутворюючих домішок, продуктів оборонної промисловості, що підлягають знищенню.

Детонаційні характеристики вибухових сумішей з різним складом таких домішок вивчено в полігонних умовах. На рис.3 показано характер зміни швидкості детонації сумішевої вибухової речовини залежно від типу застосованих бойовиків. Із рис.3 слідує, що на контакті ініціатора та ініційованого заряду швидкість детонації визначається характеристиками проміжного детонатора, потужність якого для швидкого досягнення характерної, максимальної для даної ВР швидкості детонації має бути достатньо високою, а швидкість детонації ВР у бойовику - близькою до швидкості детонації ініційованої ВР.

При проведенні полігонних досліджень здійснювалась порівняльна оцінка не тільки повноти детонації вибухових сумішей з різним відсотковим складом недетонуючої домішки, але й працездатності заряду за розміром утвореної після вибуху воронки викидання. На рис.4 показано зміну об'єму воронки від вмісту недетонуючої спеціальної домішки (НСД) в сумішевих ВР, що свідчить про існування оптимуму вмісту НСД у межах 20-30% у сумішевому ВР.

У результаті проведених досліджень та аналізу відомих літературних даних можна вважати, що економічно виправданим та технічно реальним є використання конверсійних матеріалів (недетонуючих домішок) як додатку до готових промислових ВР, що дозволяє істотно знизити вартість вибухових робіт на гірничих підприємствах.

У розділі 4 виконана промислова перевірка результатів досліджень в таких напрямках:

підтвердження ефективності запропонованих рекомендацій щодо заходів запобігання перериванню детонації подовжених свердловинних зарядів внаслідок взаємодії ударних та детонаційних хвиль у масивах гірських порід, складених шарами та блоками різної міцності, що контактують між собою;

промислова перевірка ефективності сумішевих грубодисперсних ВР за умови заміни рекомендованої частини свердловинного заряду на недетонуючі спеціальні (конверсійні) домішки та відпрацювання технологічних елементів їх застосування;

підтвердження механізму взаємодії ударних хвиль з поруватими вибуховими та інертними середовищами, що пов'язане із застосуванням у гірничій практиці вибухових речовин, які вміщують повітряні пузирчики (піноподібні та емульсійні ВР), а також поруватих інертних матеріалів для локалізації руйнуючої дії вибухів метаноповітряної суміші в шахтних умовах.

Для дослідних вибухів добирались аналогічні за геологічними та гірничотехнологічними умовами блоки, розділені на контрольні та дослідні ділянки, де відповідно використовувались штатні ВР та вибухові суміші із промислових ВР і спеціальних недетонуючих домішок в різних співвідношеннях. В якості критеріїв прийнято повноту детонації, параметри розвалу гірської маси, якість подрібнення та ступінь пророблення підошви уступу. Додатково якість подрібнення контролювалась за виходом негарабиту, а повнота детонації свердловинних зарядів - за наявністю сліду в останньому ряді свердловин на поверхні уступу.

Технологічні засоби керування процессом подрібнення полягали в призначені оптимального ступеня сповільнення в приконтактних зонах та послідовності підривання груп зарядів з переходом процесу вимивання із масиву більш слібких порід в масив більш міцних порід. Основний економічний ефект впровадження розробок досягається застосуванням сумішевих ВР з додаванням конверсійних домішок та підвищеною якістю виконання масових вибухів.

Перелічені розробки виконано в умовах каменоломні Малогощ та на ряді вугільних шахт Сілезського басейну.

Розрахунковий економічний ефект від застосування рекомендацій роботи складає лише за статтею “вибухові матеріали” на 1000 т ВР (або 1,6 млн.м3 гірської маси) близько 88 тис.грн.

ВИСНОВКИ

На підставі проведених досліджень вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає в розробці науково обгрунтованих методів вибухового відбивання, що забезпечують підвищення детонаційної здатності системи свердловинних зарядів грубодисперсних сумішевих ВР з конверсійними домішками в специфічних умовах гірських масивів різної міцності. Основні науково-практичні висновки та рекомендації роботи полягають в наступному.

Зростання глибини розробки на кар'єрах змінює гірничогеологічні та гірничотехнологічні умови розробок, що виявляється в першу чергу в зростанні обводненості масивів гірських порід, збільшенні питомої ваги шаруватих порід з різко відмінною міцністю, а також у зменшенні ширини робочої зони та довжини фронту робіт. Зменшення довжини фронту робіт призводить до збільшення кількості робочих горизонтів і зменшення розмірів робочих поверхонь. У таких ускладнених умовах особливу роль відіграють вибухові роботи, вдосконалення яких можливе шляхом забезпечення високої надійності детонації зарядів у свердловинах при розробці горизонтів.

Обгрунтовано механізм взаємодії ударних і детонаційних хвиль та його вплив на режим детонації. Основними причинами неповної детонації свердловинних зарядів ВР є зміна їх щільності (переущільнення заряду), канальний ефект. Ослаблення або припинення детонаційного процесу відбувається при підриванні серії зарядів з грубодисперсних вибухових речовин. Доведено, що вплив ударних хвиль раніше здетонованих зарядів ВР на ще не здетоновані призводить до порушення нормального режиму детонації в наступних зарядах внаслідок зіткнення цих хвиль. Визначено умови, за яких через взаємний вплив детонаційних та ударних хвиль відбувається припинення детонації в “пасивному” заряді.

Встановлено, що внаслідок взаємного впливу зарядів попередньої групи на детонуючий заряд в цьому заряді або в окремих його частинах ВР може знаходитись у стані пониженої або підвищеної щільності, яка в момент детонації може помітно відрізнятись від критичної. У такому заряді детонація переходить у горіння, що підтверджено спостереженнями у промислових умовах. Зривання детонації в свердловинних зарядах відбувається внаслідок їх переініціювання. У процесі взаємодії ударних та детонаційних хвиль виділяється кілька зон, в яких цей процес відбувається по-різному залежно від інтенсивності ударної хвилі на межі “перепона-пасивний заряд”, з чим можна боротись шляхом багатоточкового ініціювання.

Визначено вплив ступеня різноміцності гірських порід на розподіл енергії хвиль напружень при взаємодії сумісних зарядів, зокрема в приконтактних зонах. Встановлено, що із зростанням різноміцністності контактуючих шарів гірського масиву ступінь нерівномірності розподілу енергії імпульсу хвилі напружень у приконтактних зонах зростає, що необхідно враховувати при проектуванні масових вибухів і особливо при визначенні черговості ініціювання свердловинних зарядів.

Вперше встановлено, що підривання зарядів ВР на ділянках пластів з різною міцністю належить здійснювати в напрямку від порід з меншою акустичною жорсткістю до порід з більшою акустичною жорсткістю; інтервал сповільнення між вибухами зарядів, розташованих у суміжних ділянках масиву з різною міцністю визначається за запропонованою формулою, що враховує не тільки механічні властивості порід, що руйнуються, але й просторове розташування площини їх контакту.

Встановлено, що при вмісті в заряді промислової ВР (салетротів чи гранулотолу) до 30% спеціальних конверсійних домішок, здатних виділяти значну кількість газових продуктів, швидкість детонації заряду практично не змінюється, а працездатність досягає максимуму, що дозволяє практично цілком зберегти енергетичні параметри основного ВР і при цьому суттєво знизити вартість підривання за статтею “вибухові матеріали”. Крім того, використання таких домішок дозволяє вирішувати еколого-економічні проблеми конверсії.

Доведено, що при застосуванні малощільних та емульсійних ВР з різним вмістом пузирчиків повітря або мікросфер і відповідно специфічними акустичними характеристиками змінюється механізм взаємодії ударних та детонаційних хвиль. Розглянуто механізм стискання газових пузирчиків в емульсійних ВР під впливом хвилі стиснення, генерованої сусіднім зарядом; згідно з цим зростає вірогідність зменшення чутливості “пасивного” заряду. Виявлено побічний корисний ефект явища придушення вибухової хвилі екраном з пузирчиків, який використано при розробці поруватих діафрагм для захисту підземних виробок в умовах загрози пожежі та вибуху метаноповітряної суміші у вугільних шахтах.

Розроблено і впроваджено у виробництво практичні рекомендації щодо забезпечення повноти детонації свердловинних зарядів в умовах порід різної міцністі і розроблена на їх основі технологія виконання масового вибуху з застосуванням сухих сипких та піноподібних сумішевих ВР з додаванням конверсійних матеріалів випробувані в промислових умовах каменоломні “Малогощ”. Методи придушення ударної хвилі за допомогою спеціальних діафрагм, виготовлених з піноподібного матеріалу, пройшли промислову перевірку на ряді шахт Сілезського басейну.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kajdasz Z., Kozіowski W., Zawisza J. Nowe rozwi№zania zabezpieczeс przeciwwybuchowych w czasie akcji przeciwpoїarowych w podziemnych zakіadach gуrniczych// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1998. -№5.- s. 190-193.

2. Kajdasz Z., Kozіowski W., Zawisza J. Doњwiadczenia Centralnej Stacji Ratownictwa Gуrniczego w poszukiwaniu nowych technologii i metod zabezpieczeс przeciwpoїarowych i przeciwwybuchowych w gуrnictwie// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1998.- №11.- s. 467-472.

3. Kraviets V., Olek J., Zawisza J. O wzajemnym oddziaіywaniu fali uderzeniowej z іadunkiem porowatego materiaіu wybuchowego// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1999. -№10.- s. 428-430.

4. Kraviets V., Zawisza J. Badanie procesu detonacji ukіadu іadunkуw otworowych w kopalniach odkrywkowych// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1999. - №7-8.- s. 341-343.

5. Zawisza J. Proces wzajemnego oddziaіywania fali udarowej i detonuj№cej przy strzelaniu grupowym// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1999. - №5. -s. 239-241.

6. Zawisza J. Zastosowanie dodatkуw prochowych w mieszaninach materiaіуw wybuchowych przy strzelaniu rozszczepowym// Wiadomoњci Gуrnicze.- 1999.- №9.- s. 379-380.

7. Эколого-энергетические аспекты инициирования ВВ с недетонирующими добавками/ Е.Завиша, В.Г.Кравец, А.Воеводка, Н.В.Ивкина // Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань.- Київ.:-1999.-№7.-С.71-77.

Размещено на Allbest.ru