Розробка наукових основ ефективного управління вибуховим імпульсом при руйнуванні гірських порід на кар’єрах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність проблеми. Зростання масштабів промислового виробництва призводить до значного збільшення обсягів видобутку корисних копалин, значна кількість яких здійснюється з використанням енергії вибуху. Тільки в Україні для видобутку мінеральної сировини щорічно використовується понад 100 тис. т вибухових речовин (ВР).

При вибуховій відбійці скельних гірських порід, поряд з їх дезінтеграцією, відбувається забруднення навколишнього середовища токсичними газами (в основному, оксидами азоту та вуглецю), що утворюються в процесі вибухового перетворення ВР. Крім того, технологічні процеси дезінтеграції скельних порід нерозривно пов'язані з утворенням значної кількості пилу, що не тільки знижує коефіцієнт корисної дії вибуху на дроблення порід, але й значною мірою збільшує негативну дію вибуху на навколишнє середовище.

Аналіз існуючих методів інтенсифікації дроблення порід і зниження об'ємів токсичних пилогазових викидів під час масових вибухів у кар'єрах підтвердив, що на цей час ще існує значна кількість невирішених задач як в теоретичному, так і в прикладному плані. Але, якщо питання управління дробленням порід із використанням енергії вибуху різних типів ВР вирішується достатньо успішно, то механізми утворення токсичних газів і технологічні способи зменшення об'ємів їх викидів при цьому залишаються практично маловивченими.

Дослідження в цьому напрямку базуються лише на вивченні параметрів фізико-механічних ефектів вибухових перетворень ВР, зокрема, на змінах амплітуди і тиску газоподібних продуктів детонації в зарядній порожнині. При цьому не враховуються термодинамічні особливості перетворення ВР, що супроводжуються встановленням фізичної хіміко-термодинамічної рівноваги, параметри якої залежать від агрегатного стану вихідних компонентів (наприклад, аміачної селітри, конверсійних ВР) і умов проведення вибуху.

До цього часу відсутні обґрунтовані рекомендації вибору ефективних нейтралізаторів, їх оптимального розподілу в свердловинних зарядах при одночасному збереженні енергетичних параметрів ВР і якісного дроблення порід. Розробка нових і вдосконалення існуючих способів керування вибуховим імпульсом, основаних на конструкційних і технологічних параметрах свердловинних зарядів ВР, спрямованих на підвищення ефективності дроблення гірських порід при одночасному зниженні об'ємів токсичних викидів, повинно базуватися на результатах фундаментальних теоретичних і експериментальних досліджень механізму вибухового руйнування гірських порід і нейтралізації при цьому токсичних газів.

Таким чином, встановлення закономірностей вибухового руйнування гірських порід свердловинними зарядами у взаємозв'язку з хімічними перетвореннями ВР різних типів із метою підвищення ефективності і зменшення об'ємів токсичних газів є актуальною науково-технічною проблемою для гірничовидобувних регіонів України.

Метою роботи є наукове обґрунтування та розробка способів підвищення ефективності руйнування гірських порід і зниження газовиділення при підриванні свердловинних зарядів ВР шляхом управління вибуховим імпульсом.

Для досягнення поставленої мети в дисертації сформульовані і вирішенні наступні основні задачі досліджень:

– визначити взаємозв'язок між конструкціями свердловинних зарядів ВР, інтенсивністю дроблення гірських порід та об'ємом і складом токсичних газів, що утворюються під час вибуху;

– експериментально дослідити вплив величини потенціалу електростатичного поля на умови утворення низькотемпературної (низькойонізованої) плазми, об'єми утворених токсичних газоподібних речовин і розробити схеми конструкцій зарядів ВР, що забезпечують більш повну взаємодію плазм із метою поліпшення якості дроблення гірських порід;

– установити хіміко-термодинамічний механізм і особливості протікання хімічних реакцій у фронті детонаційної хвилі для обґрунтування та розробки рекомендацій щодо поліпшення інтенсивності дроблення гірських порід і зменшення об'ємів газоподібних речовин, що утворюються;

– теоретично із застосуванням основних положень хімічної термодинаміки та експериментально довести постійну наявність у викидах під час вибухового перетворення аміачно-селітряних ВР оксидів азоту в різних відсоткових співвідношеннях;

– розробити технологічні засоби та методи реалізації зниження об'ємів токсичних викидів під час вибухових робіт шляхом раціонального розміщення в зарядній порожнині відповідних нейтралізаторів;

– виконати промислове впровадження і оцінку ефективності рекомендацій для різних типів порід корисних копалин;

– виконати техніко-економічне обґрунтування доцільності зниження об'ємів зниження токсичних викидів при вибухових роботах у кар'єрах.

1. Аналіз результатів раніше виконаних теоретичних й експериментальних досліджень у різних країнах і досвід роботи гірничовидобувних підприємств України з точки зору дроблення гірських порід і утворення токсичних газоподібних викидів унаслідок використання різних за складом і дисперсністю ВР

Показано, що зростання об'ємів видобутку корисних копалин відкритим способом призводить до збільшення об'ємів міцних і обводнених гірських порід, для відбійки яких необхідно застосування потужних високобризантних водостійких ВР.

Сучасні методи та засоби управління енергією вибуху на всіх стадіях підготовки та проведення масових вибухів у карьерах значною мірою вирішують проблеми дроблення порід і зниження техногенного навантаження на довкілля. Але існують проблеми, які до теперішнього часу повністю не вирішені, що знижує ефективність вибухових робіт у цілому.

Свого часу проблеми управління якістю вибухової відбійки гірських порід розглядались і вирішувались у роботах таких учених, як Баранов Є.Г., Боровіков В.О., Воробйов В.В., Власов О.Є., Демидюк Г.П., Дрьомін О.М., Дубнов Л.В., Єфремов Е.І., Жуков С.О., Комір В.М., Крисін Р.С., Кривцов М.В., Кук М.А., Кучерявий Ф.І., Петренко В.Д., Соболєв В.В. і ін.

Відмічено, що особливістю високобризантних ВР є утворення під час вибуху значного об'єму шкідливих газів і збільшення зони пластичних деформацій (переподрібнення порід) на контакті «заряд ВР-порода», що є одним із основних джерел пилу. Найбільш складною техніко-технологічною та екологічною проблемами під час вибухових робіт у кар'єрах є нейтралізація викидів малоактивного оксиду вуглецю та токсичних оксидів азоту.

Недостатньо досліджений вплив характеру розподілу в свердловинному заряді нейтралізаторів, а також каталітично активних речовин на кількість і склад токсичних викидів під час вибухів у кар'єрах. Практично відсутні теоретичні та експериментальні дослідження впливу технологічних способів підвищення інтенсивності дроблення гірських порід (конструкцій зарядів, внутрішньосвердловинного уповільнення, нижнього та багатоточкового ініціювання та ін.) на об'єм і склад токсичних викидів, що на теперішній час є актуальною задачею, реалізація якої можлива лише на базі широких лабораторних і промислових досліджень.

Таким чином, усе вищевикладене стало підґрунтям для встановлення взаємозв'язків між фізико-механічними, хіміко-термодинамічними параметрами вибухових перетворень ВР, інтенсивністю дроблення гірських порід і об'ємом токсичних викидів шляхом управління вибуховим імпульсом при руйнуванні гірських порід.

2. Експериментальне дослідження впливу вибухового імпульсу та конструкцій зарядів ВР на інтенсивність дроблення твердих середовищ і кількість токсичних продуктів детонації

Вирішення проблеми керованого дроблення гірських порід енергією вибуху розглядається через чинники, які враховують просторове розташування зарядів ВР, схеми та черговість їх взаємодії, енергетичні параметри, а також через те, що основні хімічні перетворення відбуваються на межі зони плазмового стану ВР і продуктів вибуху, тобто на межі зони високого тиску і розльоту продуктів детонації. При цьому встановлено, що більш значні втрати енергії вибуху відбуваються поблизу заряду в початковий момент детонації ВР. На більш віддалених відстанях енергія вибуху використовується для дроблення порід, величину якої можна регулювати змінами термодинамічних параметрів вибухового перетворення ВР і конструкціями заряду.

Слід зазначити, що фракції дроблення 0-200 мм як за затратами енергії вибуху на дроблення (подрібнення), так і за технологічними вимогами та з екологічних позицій, більшим ступенем належать до негативних показників. Напроти, вихід фракції дроблення 200-400 мм свідчить про найбільш раціональне дроблення порід.

У ході експериментальних випробувань у вибуховій камері було визначено кількість токсичних газів при вибухових перетвореннях різних типів ВР у приведених вище конструкціях зарядів.

З метою дослідження впливу повітряної порожнини на інтенсивність дроблення гірських порід і об'єми токсичних викидів були запропоновані та досліджені конструкції зарядів із повітряними вісьовими порожнинами різної конфігурації.

При цьому зроблене припущення, що висока швидкість розповсюдження двошарової детонації в зарядах, які містять вісьові канали, заповнені повітрям або газом, добре погоджується із плазмовим характером реакційної зони. Ці особливості детонації зарядів із повітряною вісьовою порожниною підтверджують плазмовий характер реакційної зони.

Таким чином, зроблено припущення, що зовнішні плазми, які утворюються на вільних поверхнях заряду, випромінюють у повітряну вісьову порожнину потік іонізованих частинок, що випереджають фронт детонаційної хвилі, оскільки зазнають у порожнині меншого опору пересуванню.

Оскільки під час вибуху внаслідок плазмової іонізації частинок ВР утворюється внутрішнє електричне поле, то цілком зрозумілим є припущення щодо певних закономірностей змін реакцій утворення продуктів вибуху в зовнішньому електричному полі при зміні величини потенціалу зонду.

При цьому зменшення внутрішнього електричного потенціалу знижує напруженість поля та зчеплення плазми, що сприяє її розпаду та прискоренню хімічних реакцій. Експериментально встановлено, що на об'єми утворених оксидів азоту та вуглецю впливає не тільки величина потенціалу на зонді, але й тип ВР, зокрема, найменшу кількість оксидів азоту та вуглецю незалежно від значення потенціалу утворює амоніт 6ЖВ, а найбільшу - грамоніт 79/21ГС і ТЕН.

Отримані дані свідчать про різний хімічний механізм вибухового перетворення ВР під дією зовнішнього електричного поля внаслідок відмінностей хімічної будови молекул ВР.

Для дослідження впливу електричного поля на процес вибуху застосований метод оцінки працездатності ВР по повітряній ударній хвилі, причому величина тиску повітря в ударній хвилі оцінювалась за величиною осяйної температури газу та динамічної зміни світимості.

При цьому було встановлено, що швидкість протікання процесу дослідження на початковій ділянці осцилограми (І) не змінюється при зміні полярності зовнішнього електричного поля, що свідчить про невисоку концентрацію заряджених частинок у зоні реакції на даній стадії процесу.

Проміжна ділянка (ІІ) осцилограм характеризує стадію детонації основного заряду ВР, де процес детонації відбувається з постійною швидкістю.

Остання ділянка осцилограм (ІІІ) відповідає стадії розльоту продуктів детонації та має однаковий характер незалежно від полярності потенціалу.

Цим самим розширюються можливості для більш ефективного впливу на інтенсивність дроблення гірських порід і об'єми токсичних викидів продуктів вибуху за рахунок того, що під дією ударної хвилі відбувається миттєве теплове розширення за фронтом ударної хвилі за адіабатичним законом, що залежить від теплоємності типу ВР:

і , (1)

де г і в - термохімічні параметри вибухового перетворення ВР; Е - енергія активації молекул ВР; Q - питоме тепловиділення; Т0 - початкова температура вибуху; с - теплоємність молекул ВР.

При зміні потенціалу зонда від -600 до +600 В максимальна зміна швидкості детонації становила 30%.

Характерно, що мінімальна швидкість детонації зареєстрована при нульовому потенціалі. При від'ємному значенні потенціалу спостерігається зворотне явище: швидкість розльоту в початковий момент часу знижується, але у міру розвитку процесу вона збільшується.

Описана поведінка продуктів детонації на стадії розльоту добре узгоджується з уявленнями про поведінку плазми (іонізованих газів), що утворюється, в електричному полі.

При вимірюванні осяйної температури встановлено, що зміна потенціалу зондуючого електроду не здійснює суттєвого впливу на величину сигналу, але в процесі детонації відбувається зміна площи поверхні гірської породи, що руйнується.

При цьому різко зростає пористість породи внаслідок дії руйнуючого детонаційно-ударного імпульсу, що сприяє адсорбції продуктів вторинних хімічних реакцій в ході вибухового перетворення ВР.

Оскільки стабільність плазми найбільша, тобто більш повно протікають і первинні, й вторинні хімічні реакції детонаційного перетворення ВР, поглинання газоподібних продуктів гірськими породами є максимальним. На основі всього наведеного вище у результаті теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані конструкції зарядів ВР, в яких потоки іонізованих частинок із зовнішньої плазми надходять у реакційну зону детонаційної хвилі та впливають на швидкість протікання хімічних реакцій та об'єми утворюваних токсичних речовин унаслідок особливостей конструкцій.

Оскільки при детонації ВР відбувається передача теплової енергії матеріалу забивки, були проведені експериментальні дослідження температурних полів у матеріалі забивки, яка складається з часток різної дисперсності.

Дослідження показали, що прирощення температури зменшується зі збільшенням відстані від заряду та підкоряється залежності:

, (2)

де коефіцієнти а і b характеризують градієнт падіння прирощення температури та поправочний коефіцієнт, що залежить від типу матеріалу забивки.

Результати вимірів показали, що вплив розігрітих продуктів детонації на забивочний матеріал поблизу контакту із зарядом і на поверхні забивки відрізняються між собою.

При розташуванні ВР у верхній частині забивки у момент детонації відбувається передача тепла від продуктів детонації не матеріалу забивки, а в навколишній простір без зміни температури матеріалу забивки. Отримані дані використовували для визначення найбільш розігрітих зон, у яких розташування нейтралізуючих речовин буде найбільш ефективним.

Таким чином, виконані теоретичні й експериментальні дослідження підтвердили можливість цілеспрямованого впливу не тільки на інтенсивність дроблення гірських порід, але й на об'єм газоподібних токсичних продуктів вибуху, що утворюються, шляхом зміни конструкційних елементів зарядів і відповідних термохімічних параметрів.

Третій розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню впливу вибухового імпульсу на утворення токсичних речовин і способи їх зменшення при вибухових перетвореннях ВР.

Досліджені взаємозв'язки фізико-механічних і хіміко-термодинамічних параметрів вибухового перетворення ВР, що дозволило встановити можливі шляхи утворення токсичних речовин у продуктах детонації та обґрунтувати способи їх нейтралізації вже на початковій стадії вибуху. Особливості хімічних реакцій у фронті детонаційної хвилі обумовлені складними фізичними явищами, пов'язаними з плазмовим характером реакційної зони.

Плазми, які генеруються детонацією, викликають перехід зовнішніх валентних електронів в атомах і молекулах із локалізованих станів у колективні електронні стани, в яких вони вільно пересуваються у всій плазмі. При помітному негативному енергетичному потенціалі це додає їм значну силу зчеплення, чим і можна пояснити невеликий зовнішній тиск, створюваний зовнішніми плазмами. Таким чином, це дозволяє пояснити як термодинамічні, так і фізичні особливості протікання вибухових перетворень.

Пропонується розглядати процеси, що відбуваються, з позицій квантової хімії та фізико-хімічної термодинаміки через дебаївський радіус (ДР) екранування, який характеризує стан плазми через відстань від заряду, на якому його поле стає зневажливо малим:

, (3)

де k - стала Больцмана; Т - температура детонації (5000 К); е0 - електрична стала (8,85·10-12 Ф/м); n - концентрація електронів у ВР; е - заряд електрона (заряди частинок прирівнюються до заряду електрона 1,6·10-19 Кл).

Проведені розрахунки показали, що в умовах детонаційного процесу дебаївський радіус екранування становить 0,1544 нм, а це більше довжин хімічних зв'язків між атомами в аміачній селітрі, тротилі, гексогені, тені (0,10-0,14 нм).

Таким чином, плазма, що утворюється в процесі детонації, є ізотермічною та носить не електронний, а йонно-радикальний характер, оскільки електрони не покидають зони впливу атомів, складаючи молекулу, а формують єдину делокалізовану електронну хмару. У зв'язку з цим існування плазми не може бути охарактеризованим із позицій загальноприйнятої моделі квазіметалічної решітки.

Таке твердження пояснюється ще й тим, що у ході хімічних реакцій ентропія вибухового перетворення зростає, тому детонаційний процес є нерівноважним, що стало підставою розглядати детонаційний процес як сукупність мініадіабатних процесів, які підкоряються рівнянню Пуасона pVг = const (г=1,67-для багатоатомних газів). Ділянку можна вважати інтервалом утворення кінцевих продуктів вибуху при атмосферному тиску з одночасним збільшенням інтенсивності електромагнітного випромінювання за рахунок явища рекомбінації за нескінченно малий проміжок часу до початку розльоту продуктів детонації. Вони іонізуються при вибуховому перетворенні внаслідок утворення низькойонізованої плазми. При цьому для стабілізації системи викидається "зайва" енергія (ДG>0), що не суперечить основним положенням термодинамічної теорії:

ДG = ДH - TДS. (4)

З цієї точки зору процес перетворення вибухових речовин відбувається в той момент, коли величезна маса радикальних часток (вона є іонізованою плазмою) формує дестабілізовану хімічну систему, що в кінцевому результаті призводить до вивільнення додаткової кількості енергії. Із цих же позицій у роботі розглянутий і механізм вибухового розкладання аміачної селітри (АС):

1) 2NH4NO3 > N2 + 4H2O + O2;

2) 2NH4NO3 > 2NO + N2 + 4H2O;

3) NH4NO3 > HNO3 + NH3;

4) NH4NO3 > N2O + 2H2O;

при t > 400 С:

5) 4NH4NO3 > 3N2 + 2NO2 + 8H2O;

6) 8NH4NO3 > 2NO2 + 5N2 + 16H2O + 4NO.

Під дією зовнішнього імпульсу молекули аміачної селітри руйнуються за найбільш слабкими зв'язками з утворенням різноманітних радикальних груп, що у результаті рекомбінації чи молекулярних (ланцюгових) реакцій створюють стійкі (валентно-насичені) сполуки.

На підставі виконаних розрахунків, аналізу й оцінки хіміко-термодинамічних параметрів вибухового перетворення АС показано, що присутність у продуктах детонації АС оксидів азоту обумовлена величиною ентропії як фізико-хімічної термодинамічної характеристики всієї системи, що описує також величину поверхневих ефектів при вибухових перетвореннях ВР, оскільки в процесі вибуху відбуваються зміни поверхні взаємодії та відповідного фазового стану.

Чим менше ?H, тим більш ймовірне протікання даної конкретної реакції. Наведений енергетичний ряд дозволяє підійти до пояснення йонно-радикального механізму елементарних хімічних реакцій вибухового перетворення. Тоді швидкість хімічного вибухового перетворення ВР можна описати як:

. (5)

де n - коефіцієнт трансмісії (n=1); k - стала Больцмана; h - стала Планка; T- абсолютна температура; SAC - ентропія аміачної селітри; ДG -зміна енергії системи (формула 4).

Величини ?G і S відображають особливості протікання вибухового перетворення, які, в свою чергу, описують величину поверхневих ефектів при вибухових перетвореннях ВР, оскільки в процесі вибуху відбувається зміна площі поверхні взаємодії та відповідного фазового стану, що супроводжується постійним взаємним перетворенням хімічної енергії вибуху в механічну роботу, спрямовану на дроблення скельних порід.

Таким чином, можна вважати, що головним критерієм переходу хімічної енергії в механічну є зміна ентропії, яка спрямована під час вибуху на зміну поверхні взаємодії та відповідного фазового стану.

Крім того, у момент вибухового перетворення відбувається зміна кристалічної структури ВР і її щільності через кристалічносклоподібний, високоеластичний та в'язкотікучий стани. Кристалічносклоподібний стан ВР характерний для початку вибухового перетворення, коли щільність речовини максимальна та кристалічна решітка не піддається термомеханічній зміні. Високоеластичний стан - це етап виникнення термодинамічно активних перехідних комплексів, які відповідають елементарним хімічним перетворенням ВР (ділянка „ІІ”). В'язкотікучий стан ВР (ділянка “ІІІ”) характеризується тим, що при високотемпературному навантаженні ВР (механічна дія ударної хвилі) відбуваються незворотні зміни в кристалічній решітці ВР, хімічні зв'язки повністю розриваються, утворюється плазма, а потім відбувається власно вибухове перетворення ВР. У цей момент плазма дестабілізується и вибухає з розширенням, що й визначає величину початкового вибухового імпульсу. Достатньо складним моментом є оцінка величини механічної енергії у взаємозв'язку зі зміною термодинамічних параметрів хімічної енергії в процесі вибухового перетворення. На початку детонації в зарядній порожнині присутні дві фази - атмосферне повітря та вибухова речовина. В цей момент здійснюється робота зі збільшення площі поверхні розділу двох фаз аж до переходу в одну фазу - газоподібну.

Цей ефект здійснює вплив на перерозподіл кристалічних мікроструктур ВР унаслідок роботи надлишкового тиску. Ця робота пропорційна прирощенню поверхні з урахуванням типу ВР через відповідний коефіцієнт пропорційності:

, (6)

де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від енергетичної здатності ВР до вибухового перетворення; ДGХП - енергія Гібса (енергія хімічного перетворення ВР); ДS - прирощення поверхні ВР під час вибухового перетворення; S - загальна площа поверхні ВР у заряді; mBB - маса ВР, яка піддається перетворенню. Якщо до вихідної системи додається dn молей нейтралізатора, то енергія системи зміниться на величину, пропорційну кількості доданого компонента - ліdnі, що автором даного дослідження пропонується називати мірою активності ВР.

Якщо до системи одночасно додавати декілька компонентів, то:

ДН ? Т· ДS - р·ДV + ?ліdnі. (7)

З точки зору фізико-механічної складової вибухового процесу в зарядній порожнині у незбуреному первинно середовищі ВР її характеристики можуть бути виражені через швидкість і тиск у фронті ударної хвилі за неідеальних режимів детонації:

, (8)

де Т - температура вибухового перетворення; dP/dV - похідна вздовж детонаційної адіабати, яка характеризує фронт ударної хвилі.

У зв'язку з цим стає можливим установити зв'язок між хімічною енергією вибухового перетворення ВР, їх термодинамічними характеристиками і механічною ефективністю вибухового процесу через швидкість детонації та тиском утворених продуктів у зарядній порожнині:

· = 1 - . (9)

де D - швидкість детонації; k - стала, яка має середнє значення приблизно 0,5; v - швидкість руху фронту плазми; ао - ширина зони реакції ВР; ki - стала швидкості хімічної реакції детонаційного розкладання даного виду ВР; SnA - ентропія перехідного комплексу в елементарних хімічних реакціях; Сі - концентрація ВР у газоподібному стані; mi - маса ВР; ратм - атмосферний тиск у момент проведення вибуху в кар'єрі; Т - температура детонації; ДS - зміна ентропії в процесі вибухового перетворення ВР (завершеність вторинних хімічних реакцій); ДЕ - зміна енергії у вибуховому перетворенні (зміна енергії Гибса); л - міра активності ВР при додаванні будь-якого іншого компоненту (нейтралізатора); dn - кількість молей додаткового компоненту (нейтрализатора); ДV - об'єм утворених газоподібних продуктів детонації.

Присутність величини атмосферного тиску у виразі (10) дозволяє також взаємопов'язувати метеоролого-кліматичні характеристики довкілля з фізико-механічними та хіміко-термодинамічними параметрами детонаційних процесів ВР.

Таким чином, на основі вищевикладеного теоретично обґрунтовано плазмовий характер вибухового перетворення ВР і способи активного впливу на реакційну зону детонаційної хвилі з метою зниження кількості утворених оксидів вуглецю та азоту та поліпшення дроблення гірських порід.

4. Методи і способи підвищення інтенсивності дроблення гірських порід і нейтралізації токсичних газів у продуктах детонації ВР у зарядній порожнині та на виході з неї

З урахуванням того, що додавання різних нейтралізуючих і енергоактивних речовин може змінювати швидкість детонації у бік уповільнення або прискорення, у роботі запропонований метод вимірювання швидкості детонації із застосуванням електрорушійної сили, наведеній у провіднику, розташованому вздовж заряду ВР (рис. 14), що дозволяє оцінювати працездатність будь-якої ВР. Даний спосіб випробуваний на сумішевих зарядах при різному відсотковому вмісті твердого ракетного палива (ТРП) у різних ВР. У результаті було встановлено, що зі збільшенням масової частки ТРП у сумішевих ВР швидкість детонації зменшується, тобто зменшується піковий тиск продуктів детонації на стінки зарядної порожнини, а відповідно, процес вибухового перетворення ВР залежить від змін початкової щільності вибухової речовини.

У роботі теоретично обґрунтовано, що для ефективної нейтралізації токсичних газоподібних викидів у свердловинних зарядах ВР, необхідно, щоб показник адіабати сумішевого ВР був меншим за показник адіабати базової ВР. Таким чином, можна розрахувати необхідну щільність ВР із нейтралізатором:

Da(сc) = Da(с1)+ (D/с1)( сc- с1) (10)

і визначити теплоту вибуху сумішевого ВР Qc за виміряною швидкістю детонації Da(сc) наступним чином:

. (11)

Експериментальні вимірювання теплоти вибуху базових і сумішевих зарядів ВР із нейтралізаторами показали зменшення об'ємів токсичних викидів і працездатності ВР, але зниження якості дроблення гірських порід не відбувалось. Розподіл газових потоків продуктів детонації в свердловині на спеціальному лабораторному стенді під час вибухового руйнування моделей із метою визначення місця розташування нейтралізаторів у зарядах ВР задля проведення наступних полігонних випробувань показав, що через забивку витікає від 25 до 40% продуктів вибуху залежно від типу матеріалу забивки. Довжина забивки в цих експериментах складала 20?d3 (d3 - діаметр заряду). Останні продукти вибуху витікали через зруйнований матеріал моделі. У зв'язку із цим у конструкціях зарядів, що розглядаються, на контакті ВР із забивкою слід розміщати не більше 40% розрахункової кількості нейтралізуючих речовин. Залишкову частину нейтралізатора слід розташовувати рівномірно за довжиною заряду. Це положення підтверджене експериментальними дослідженнями впливу природи нейтралізатора на об'єм токсичних газів у вибуховій камері після вибуху зарядів різних ВР, що не змінює якості дроблення гірських скельних порід.

Універсального типу нейтралізатора для досліджених ВР знайти не вдалося, що пов'язано з особливостями хімічної структури ВР, хімічних перетворень, які відбуваються, і природою самого нейтралізатора. Маса нейтралізуючої речовини в заряді незалежно від дисперсності дорівнювала 4-7% маси заряду ВР.

Таким чином, виконані лабораторні дослідження показали, що зниження рівня токсичності продуктів детонації може бути досягнуто шляхом застосування як нейтралізаторів оксиду та гідроксиду кальцію, а більшою мірою - сульфату натрію, який може бути використаний як в сухих, так і в обводнених свердловинних зарядах ВР при застосуванні поліетиленових рукавів.

Наступним етапом роботи стала розробка, випробування та впровадження спеціальних забивочних пристроїв із метою хімічного зв'язування оксидів азоту та вуглецю безпосередньо у зарядній порожнині за допомогою нейтралізаторів. Запропоновані конструкції забивок створюють умови для запирання продуктів детонації у свердловині, що обумовлює уповільнення процесу розширення продуктів детонації, зміну термодинамічних параметрів системи та впливає на завершеність вторинних реакцій вибухового перетворення ВР.

Забивочні пристрої змінюють напрямок руху газових потоків, збільшують опір вильоту забивочного матеріалу і сприяють самозаклинюванню забивочного матеріалу під час його руху при дії продуктів вибуху. Забивочний пристрій є універсальним, оскільки може бути застосований як у сухих, так і обводнених свердловинах, є нескладним при формуванні, а внутрішня ємність може бути заповненою як порошкоподібним, так і рідким нейтралізатором.

Важливим моментом практичної реалізації зниження об'ємів токсичних газоподібних викидів є розміщення нейтралізаторів у самому заряді ВР. У роботі запропоновано застосовувати спеціальні двошарові поліетиленові рукави; безпосереднє перемішування з ВР; розташування нейтралізаторів на межі розділу різних ВР і забивки.

Експериментально встановлено, що залежно від матеріалу та довжини забивки в атмосферу надходить від 25 до 40% продуктів вибуху, тому в розроблених і рекомендованих конструкціях зарядів пропонується розташовувати до 40% нейтралізатора на контакті заряду із забивкою або безпосередньо в її матеріалі.

Таким чином, експериментальні дослідження у вибуховій камері підтвердили доцільність і ефективність різних способів розташування у зарядах ВР нейтралізуючих хімічних речовин для зниження об'ємів токсичних викидів в атмосферу без погіршення якості фракційного складу дробленої гірської породи.

5. Гірничотехнічні та гідрогеологічні умови проведення дослідно-промислових вибухів на різних родовищах корисних копалин: Полтавський ГЗК - залізисті кварцити; Кременчуцьке кар'єроуправління „Кварц”, Редутське, Краківське кар'єроуправління - граніти; Докучаєвський флюсодоломітний комбінат - вапняки. Ці кар'єри характеризуються достатнім різноманіттям фізико-механічних властивостей гірських порід і обводненістю масивів

Проведений ґрунтовний аналіз методів і способів визначення вмісту токсичних газоподібних речовин у викидах під час масових вибухів у кар'єрах. Здійснена промислова перевірка ефективності запропонованих методів підвищення інтенсивності та рівномірності дроблення гірських порід, зниження техногенного навантаження на навколишнє середовище при здійсненні підривних робіт.

У кар'єрі Крюківського кар'єроуправління виконані дослідно-промислові вибухи з використанням енергоактивних домішок у свердловинних зарядах, які є скомбінованими з ВР із різними енергетичними характеристиками. Їх застосування призводить до значного поліпшення дроблення гранітів за рахунок посилення хвильової дії вибуху енергоактивних домішок. Зокрема, діаметр середнього куска зменшився на 12,8%, а вихід негабариту - на 14%.

Заміри вмісту токсичних газів в атмосфері забою через 15 хв після вибуху підтвердили факт зниження вмісту оксидів азоту в 1,37 рази, а монооксиду вуглецю - в 1,29 рази при вибуху комбінованих зарядів із застосуванням ТРП.

Дроблення крупноблочних порід енергією вибуху ВР із одночасним зменшенням токсичних викидів досягнутий на Редутському кар'єроуправлінні при застосуванні конструкції заряду із забивочними пристроями, що містять нейтралізатори, оскільки відбувається зменшення витрати ВР приблизно на 20%.

При цьому в зоні розвалу гірської маси після вибуху експериментальних свердловин оксидів азоту та монооксиду вуглецю не виявлено. Пропонована конструкція свердловинного заряду концентрує енергію вибуху в області незруйнованих блоків порід, забезпечуючи їх дроблення. Під час вибухового перетворення ВР газоподібні продукти детонації здійснюють «запирання» основних тріщин за рахунок демпфуючої дії забивочного пристрою, який збільшує тривалість вибухової дії на середовище, що руйнується.

Експериментальні дослідження впливу використання розосереджених зарядів із внутрішньосвердловинними уповільненнями на вміст токсичних газів у продуктах вибуху і інтенсивність дроблення порід, виконані на Кременчуцькому кар'єроуправлінні «Кварц», показали, що інтенсивність дроблення гірських порід на експериментальній ділянці значно вища, ніж на контрольній.

Вміст токсичних газів у вибої через 15 хвилин після вибуху значно нижчий, ніж при вибуху суцільних зарядів: вміст оксиду вуглецю та оксидів азоту зменшується на 20-30%.

Наступним етапом промислових випробувань стала експериментальна перевірка комбінованої забивки у свердловинних зарядах ВР на кар'єрі Редутського кар'єроуправління.

Результати замірів об'ємів токсичних газів свідчать про зниження вмісту оксидів азоту та вуглецю на 20 і 15% відповідно.

Дроблення порід на експериментальному блоці більш інтенсивне, ніж на контрольному, зокрема, вихід негабариту на експериментальній ділянці склав 7,6, а на контрольній - 8,9%.

Проведені експериментальні дослідження підтверджують факт зменшення викидів токсичних газів при застосуванні комбінованої забивки свердловинних зарядів.

Для зменшення вмісту токсичних газів у продуктах вибуху, необхідно розміщати в свердловинних зарядах нейтралізатори. Найбільш ефективними в цьому виявились сульфат натрію або гідроксид кальцію, що підтверджено відповідними хіміко-термодинамічними розрахунками.

Промислові випробування щодо визначення ефективності застосування в зарядах конверсійних і промислових ВР нейтралізатору сульфату натрію із використанням відповідних конструкцій свердловинних зарядів виконані на кар'єрах Редутського та Крюківського кар'єроуправліннь та Докучаєвського флюсодоломітного комбінату.

Під час масових вибухів у кар'єрах відбувається зменшення об'ємів токсичних газів через 15 хвилин складає 88-95% для оксидів азоту, а для оксиду вуглецю - 7-10% без погіршення якості дроблення гірських порід.

Таким чином, проведені промислові випробування запропонованих конструкцій зарядів із застосуванням нейтралізатору сульфату натрію підтвердили технологічну надійність та екологічну доцільність впровадження нейтралізаторів під час масових вибухів у кар'єрах, що дозволяє знизити простої кар'єрного гірничого обладнання та покращити умови праці робітників.

6. Розрахунок економічної ефективності застосування нейтралізаторів при зниженні об`ємів токсичних викидів при вибухових роботах у кар'єрах

У роботі запропонована методика оцінки витрат при застосуванні нейтралізатора сульфату натрію:

, (12)

де ЕН - коефіцієнт ефективності використання капітальних витрат (0,12); Сі - вартість 1 т ВР, грн. (за цінами 2008 року); t - кількість місяців у році, коли здійснюють вибухи; nі - кількість масових вибухів на кар'єрах дослідження (для гранітних кар'єрів - 1 вибух/міс.); m - маса ВР на один вибух; Cj - ціна одиниці маси нейтралізатора, грн.

Одночасно застосована методика визначення еколого-економічної ефективності від впровадження сульфату натрію як нейтралізатора із метою оцінки попередженого збитку за рахунок зниження концентрацій та об'ємів оксидів азоту та вуглецю в атмосферному повітрі забоїв, що дозволяє суттєво підвищити ефективність та безпеку робіт при руйнуванні гірських порід і знизити час простою технологічного обладнання в кар'єрах. Попереджений еколого-економічний ефект на ТОВ „Полтавський гірничо-збагачувальний комбінат” за рахунок зменшення об'ємів викидів оксиду вуглецю (на 42,5%) і оксидів азоту (на 55,8%) при використанні нейтралізаторів у раціональних конструкціях зарядів склав 165 тис. грн. протягом 2007-2008 рр. Загальний сумарний економічний ефект на кар'єрах України склав 572 тис. грн.

Висновки

вибуховий токсичний свердловинний електростатичний

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей ефективного управління вибуховим імпульсом і взаємозв'язків між інтенсивністю дроблення гірських порід і об'ємами газоподібних викидів залежно від фізико-хімічних і хіміко-термодинамічних характеристик детонації вибухових речовин вирішена актуальна науково-технічна проблема підвищення ефективності дроблення гірських порід і зниження об'ємів токсичних викидів шляхом розробки нових і вдосконалення існуючих свердловинних зарядів, що дозволяє суттєво підвищити ефективність та безпеку робіт при руйнуванні гірських порід на кар'єрах.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. На основі виконаних теоретичних і експериментальних досліджень запропоновані положення нового наукового напряму - фізико-хімічної механіки формування імпульсу тиску в зарядній порожнині та вибухового перетворення промислових ВР, що є основою оптимізації управління технологічними процесами руйнування скельних гірських порід і мінімізації техногенного навантаження на навколишнє середовище при здійсненні масових вибухів у кар'єрах.

2. Запропонований новий підхід до вивчення вибухових процесів у зарядній порожнині як єдності фізико-механічних і хіміко-термодинамічних параметрів нерівноважних систем в умовах миттєвої зміни фазового стану ВР, що дозволило встановити взаємозв'язок між параметрами імпульсу тиску при руйнуванні гірських порід, об'ємом і складом токсичних викидів.

3. Доведено, що іонізовані частинки в реакційній зоні детонаційної хвилі створюють низькотемпературну (низькойонізовану) плазму, яка впливає на повноту і швидкість первинних хімічних реакцій, що призводить до зменшення втрат енергії вибухового перетворення ВР, підвищенню інтенсивності дроблення гірських порід і зменшення об'ємів токсичних викидів у продуктах вибуху.

4. Експериментально встановлено, що розміщення у свердловинних конструкціях ВР нейтралізаторів у вигляді солей лужних і лужноземельних металів сприяє більш повному завершенню реакцій детонації, зниженню об'ємів токсичних викидів, підвищенню швидкості збільшення тиску в зарядній порожнині та, як наслідок, підвищенню інтенсивності дроблення гірських порід.

5. Експериментально встановлено, що зниження об'ємів токсичних викидів під час вибуху досягається шляхом ефективного перемішування продуктів вибуху з нейтралізаторами, які розміщують в спеціальних капсулах або двошарових плівках, а також у забивці свердловин. Максимальний ефект досягається застосуванням порошкоподібних ВР за рахунок збільшення поверхні при хімічній взаємодії.

6. Реалізація розроблених рішень виконана на Редутському кар'єроуправлінні з економічним ефектом 71 тис. грн. за рахунок зменшення витрат на руйнування негабариту; на Крюківському кар'єроуправлінні при застосуванні раціональних конструкцій зарядів сумарний економічний ефект склав 103 тис. грн. за рахунок зменшення виходу негабариту, скорочення простою обладнання та зниження викидів токсичних газів; на Кременчуцькому кар'єроуправлінні „Кварц” з економічним ефектом 62 тис. грн. за рахунок застосування нейтралізаторів і зменшення часу простою обладнання; на ПП „Акватол” при застосуванні раціональних конструкцій зарядів ВР із розміщенням у них нейтралізаторів за рахунок зменшення об'ємів токсичних викидів і меншої ціни конверсійних ВР порівняно з промисловими ВР економічний ефект склав 171 тис. грн.; на ВАТ „Полтавський гірничо-збагачувальний комбінат” за рахунок зменшення об'ємів викидів токсичних газів при застосуванні нейтралізаторів у раціональних конструкціях зарядів попереджений еколого-економічний ефект склав 165 тис. грн.; у навчальному процесі при викладанні дисципліни „Безпека життєдіяльності” та в науковій діяльності, включаючи підготовку аспірантів і здобувачів.

Література

1. Чебенко В.Н. Повышение эффективности взрыва в твердой среде / Комир В.М., Кузнецов В.В., Воробьев В.В., Чебенко В.Н. - М.: Наука, 1988. - 255с.

2. Чебенко В.Н. Механизм обезвреживания вредных газов при проведении взрывов в карьерах / В.Н. Чебенко, А.М. Яценко // Новые решения в современных технологиях. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков, 1999. - Вып. № 75. - С. 10-14.

3. Чебенко В.Н. Перспективы получения взрывчатых веществ с улучшенными газоподавляющими свойствами / В.Н. Чебенко, А.М. Яценко // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 1999. - Вып. № 2. - С. 510-512.

4. Чебенко В.Н. Переработка отработанных растворов травления черных металлов и сплавов / В.Н. Чебенко, А.М. Яценко, Н.А. Васильева // Проблемы создания новых машин и технологий: Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 1999. - Вып. 1. - С. 380-383.

5. Чебенко В.Н. Интенсификация процесса очистки сточных вод участков подготовки поверхности черных металлов и сплавов / В.И. Яценко, В.Н. Чебенко, Ю.Н. Чебенко, Н.А. Васильева // Проблемы создания новых машин и технологий. - 1999.- Вып. 1. - С. 387-389.

6. Чебенко В.Н. Возможности получения составов взрывчатых веществ с улучшенными характеристиками подавления ядовитых газов / В.Н. Чебенко // Вісник Східноукраїнського державного університету. - 2000. - Вип. № 4(26). - С. 227-230.

Размещено на Allbest.ru

...