Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА СПОСОБІВ ТА ЗАСОБІВ ЗАПОБІГАННЯ ВИГОРЯННЯМ ШПУРОВИХ ЗАРЯДІВ ЗАДЛЯ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БЕЗПЕКИ ВИСАДЖУВАЛЬНИХ РОБІТ У ВУГІЛЬНИХ ШАХТАХ

Спеціальність: Охорона праці

Манжос Юрій Вікторович

Макіївка-Донбас, 2003 рік

Вступ

БПР є одним з найбільш доступних і ефективних, а в ряді випадків незамінних, засобів руйнування гірничих порід під час видобутку корисних копалин і проведенні гірничих виробок.

Незважаючи на наявність сучасних потужних засобів механізації гірничих робіт, підривні роботи займають вагоме місце в технологічному циклі вугільних підприємств. З їх застосуванням проводиться до 70% підготовчих виробок і видобувається близько 10% вугілля.

Підприємства вугільної промисловості України у 2001 році витратили близько 8 тисяч тонн вибухових речовин (ВР), з них близько 5 тисяч тонн запобіжних і близько 8 млн. штук електродетонаторів (ЕД).

Разом з тим, ведення підривних робіт пов'язане з виникнення небезпечних ситуацій, з яких найбільшу загрозу становить займання метанової повітряної та пилу повітряної сумішей. Такі займання пов'язані як з матеріальними втратами, так і з людськими жертвами.

Забезпечення безпеки підривних робіт на вугільних шахтах є складною науково-технічною задачею і здійснюється одночасно за декількома напрямками як організаційними, так і технічними засобами.

В останні роки в Україні проведена велика робота, спрямована на підвищення безпеки й ефективності підривних робіт (розроблені нові запобіжні вибухові речовини V та VI класів, інгібітор пластичної забивки шпурів, що запобігає підпалюванню метанових повітряних сумішей детонуючи з зарядами ВР та інше). Але, незважаючи на це, підривні роботи залишаються джерелом підвищеної небезпеки.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однієї з причин запалення метанових та пилу повітряних сумішей при підривних роботах є вигоряння шпурових зарядів запобіжних вибухових речовин (ЗВР). У літературних джерелах неодноразово висловлювалися припущення, що якщо усередині шпура з якоїсь причини замість нормальної детонації шпурового заряду відбувається його вигоряння, то імовірність запалення вибухонебезпечного середовища різко зростає.

Це припущення підтверджується тим, що кількість запалень МПС від вигоряючих зарядів складає в середньому близько 30%.

Особлива небезпека вигоряючого шпурового заряду ВР визначається тим, що горіння ВР відбувається протягом тривалого часу (у деяких випадках, що спостерігалися на практиці, горіння продовжувалося кілька десятків хвилин).

Цього часу цілком достатньо для виділення метану з відбитої гірничої маси та утворення у при забійному просторі виробки вибухонебезпечного середовища, навіть у тому випадку, коли перед початком ведення підривних робіт вміст метану був нижчий за припустимі норми.

Крім того вигоряння, які не призвели до аварій і травматизму, порушують технологічний процес видобутку вугілля та проведення гірничих виробок.

Проблема зниження імовірності вигорянь шпурових зарядів ЗВР є вельми актуальною задачею, рішенню якої присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана за результатами науково-дослідних робіт №1705536000 “Визначити умови вигоряння патронів-бойовиків і шляхи запобігання цим явищам”, №1719204020 “Розробити, освоїти серійне виробництво і впровадити запобіжну ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигоряння”, № 1710001030 - Ц07 “Розробити і впровадити електродетонатори, що виключають запалення метану”.

Мета і задачі досліджень:

Визначення параметрів, механізму й умов підпалювання шпурових зарядів ВР при веденні підривних робіт для розробки способів і засобів запобігання вигорянням ВР.

Для досягнення цієї мети поставлені і вирішені наступні задачі:

- визначення можливості запалення МПС вигоряючими зарядами ЗВР V і VI класів;

- уточнення механізму вигоряння шпурових зарядів ВР у вугільних шахтах;

- встановлення основних факторів, що впливають на підпалювання зарядів ЗВР від електродетонаторів;

- розробка способів зниження здатності ЕД підпалювати;

- визначення впливу властивостей ВР на їхню схильність до вигоряння і розробка способів зниження їхньої здатності до підпалювання і горіння;

- розробка та випробування вибухових матеріалів, що знижують імовірність вигоряння шпурових зарядів у виробничих умовах.

Ідея роботи полягає у тому, що зниження імовірності вигорянь шпурових зарядів може бути досягнуте як за рахунок підвищення стійкості ЗВР до вигоряння, так і за рахунок зниження здатності ЕД підпалювати.

У дисертаційній роботі захищаються наступні наукові положення:

1. Встановлено механізм та умови запалення МПС під час вигоряння високо запобіжних ВР V і VI класів, який полягає у тому, що підпалювання відбувається відкритим полум'ям, що виникає при виході фронту горіння на торець або бічну поверхню патрона.

2. Уперше встановлена закономірність впливу теплофізичних властивостей компонентів складу ВР на його стійкість до вигоряння.

3. Розроблено методику розрахунку схильності ВР до підпалювання за його компонентним складом, що дозволяє шляхом розрахунку визначити тип і кількість інгібітору, що вводиться до складу нової ВР для надання їй стійкості до вигоряння.

4. Встановлено, що зменшення наважки вторинного заряду ЕД дозволяє знизити імовірність підпалювання патрона ВР таким ЕД.

5. Одержано математичну модель імовірності підпалювання патрона бойовика в залежності від маси вторинного заряду електродетонатора, на підставі якої створено нові ЕД зі зниженою здатністю до підпалювання.

Набуто наступні наукові результати:

Уперше показано, що в багатьох випадках вигоряння шпурових зарядів починаються на бойовику, а джерелом підпалювання патрона-бойовика може бути тільки ЕД.

Експериментально доведено, що навіть високо запобіжні ВР V і VI класів здатні при вигорянні підпалювати МПС із високим степенем імовірності.

Уперше проведені експериментальні дослідження вигорянь патронів-бойовиків від дефектних ЕД. Визначено основні фактори, такі як обсяг вільного простору в шпурі, схильність ВР до підпалювання і маса вторинного заряду електродетонатора, що впливають на імовірність підпалювання патронів ВР від ЕД.

Встановлено, що джерелом підпалювання ВР може бути як дефектний, так і якісний ЕД. Виявлено дефекти ЕД, що призводять до їх вигоряння і підпалювання патронів-бойовиків.

Встановлено вплив складу і властивостей ВР на імовірність виникнення вигорянь шпурових зарядів.

Практичне значення набутих результатів:

Здобуті результати досліджень дозволили уточнити механізм виникнення вигорянь шпурових зарядів високо запобіжних ВР та визначити шляхи зниження імовірності таких вигорянь.

Реалізацією результатів досліджень, викладених у дисертації, є розробка і впровадження нової запобіжної ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигорянь - амоніту Ф-5, нових ЕД зі зниженою здатністю до підпалювання - ЕД-0ПБ, а також розробити і провести випробування ЕД із заміною покриття гільз з сірчанокислого калію (СКК) на тринатрій фосфат (ТНФ). Особистий внесок здобувача. Постановка задач досліджень, обґрунтування і розробка методів проведення досліджень, проведення лабораторно-полігонних досліджень умов запалення МПС вигоряючими зарядами ЗВР. Автором проведені дослідження з підпалювання зарядів ВР від ЕД, оброблені і проаналізовані результати досліджень. Проведені аналітичні дослідження процесів підпалювання ВР. Розроблено та обґрунтовано ряд положень технічних умов на ВР IV класу амоніт Ф-5 і ЕД-0ПБ. Автор брав участь у виготовленні дослідних зразків ВМ, що знижують імовірність вигоряння шпурових зарядів, і в їх випробуванні у виробничих умовах.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково - технічній раді МакНДІ (17.05.1985 р.), на III Республіканській науково - практичній конференції молодих вчених і фахівців (МакНДІ, листопад 1980 р.). Міжнародної науково-виробничої конференції “Проблеми виробництва промислових вибухових речовин на сучасному етапі і утилізація боєприпасів” (м. Павлоград, 1997 р.)

Публікації.

За матеріалами досліджень опубліковано 14 наукових праць у збірниках наукових праць і журналах, у тому числі 10 - у виданнях, що входять у перелік ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновку, списку використаних джерел з 74 найменувань, містить 146 сторінок основного тексту, 25 малюнків, 27 таблиць, 2 додатка. Загальний обсяг роботи 155 сторінок.

2. Зміст роботи

У введенні обґрунтовано актуальність досліджень, сформульовані мета і задачі роботи, приведені основні наукові положення, що виносяться на захист. Показано їхню наукову новизну і практичне значення результатів роботи. Наведено відомості про апробацію роботи і публікації матеріалів досліджень.

У першому розділі виконано аналіз стану підривних робіт у вугільних шахтах. Показано, що підривні роботи (ВР) мають істотний недолік - підвищену небезпеку запалення метаново-повітряних (МПС) та пило-повітряних (ППС) сумішей. Наведені дані по відносному розподілу вибухів та спалахів МПС. Показано, що вигоряння шпурових зарядів ВР є однією з основних причин вибухів і спалахів МПС при веденні підривних робіт.

За даними вітчизняних (Ф.М. Галаджій, В.Н. Бондаренко, В.І. Зенін, Л.В. Дубнов, А.І. Романов, і ін.) і закордонних авторів (Ж. Бігур, Ж. Дангрео, Р. Сарторіус та ін.) наведено сучасне уявлення про механізм вигоряння зарядів ВР у шпурах. Загальновизнаний у теперішній час механізм виникнення і розвитку вигоряння шпурового заряду полягає в наступному. Під час вибуху частини заряду усередині герметичної зарядної камери шпуру, обмеженої з однієї сторони забивкою, а з іншого боку, дном шпуру, знаходяться продукти вибуху частини заряду, що детонувала. Ці продукти мають визначену температуру і тиск. Продукти вибуху контактують зі стінками шпуру і залишками ВР у частині заряду, що відмовила, і за рахунок теплопередачі починають прогрівати їх. Одночасно відбувається охолодження продуктів вибуху і зниження їх тиску. У деякий момент часу у шпурі настає теплова рівновага між ВР і продуктами вибуху, тобто температура ВР і температура продуктів вибуху зрівнюються.

Якщо у момент настання теплової рівноваги вибухова речовина виявиться прогрітою настільки, що почнеться стійке горіння, то відбувається підпалювання частини заряду, що відмовила. У випадку, коли енергії продуктів вибуху недостатньо, щоб виконати зазначену умову, підпалювання ВР не відбувається і спостерігається неповна детонація ВР.

Проведено аналіз відомих випадків вигорянь зарядів ВР у вугільних шахтах, який показав, що не у всіх випадках вигоряння відбуваються за загальновизнаним механізмом. Очевидно, що більш сприятливі умови для збереження герметичності зарядної камери шпуру і, відповідно, для вигоряння ВР у ньому виникають, коли бойовик не детонує, або детонує не цілком. І дійсно, у всіх випадках, коли при розслідуванні вигорянь ВР у шахтах вдавалося встановити, у якій частині заряду почалося вигоряння, завжди виявлялося, що воно незмінно починалося на бойовику. Джерелом підпалювання патрона-бойовика може бути тільки електродетонатор (ЕД). Показано, що джерелом підпалювання зарядів ВР можуть служити як ЕД, що нормально детонують, так і дефектні ЕД. Вивчено дефекти ЕД, що призводять до їхніх вигорянь у вугільних шахтах. Сформульовано мету і задачі досліджень.

В другому розділі наведені результати досліджень з підпалювання МПС вигоряючими зарядами запобіжних ВР IV, V і VI класів. Прямі експерименти з підпалювання МПС ВР, що горить у лабораторних умовах, проводилися Ф.М. Галаджием і В.Н. Бондаренко. Вони досліджували можливість підпалювання метаново-повітряної суміші вигоряючими зарядами ВР IV класу (амоніту ПЖВ-20). Аналогічні роботи проводилися і у Франції, на ВР, що за своїми вибуховими показниками і запобіжними властивостями відповідали вітчизняним ВР IV класу. У ході цих досліджень було досягнуто запалення метаново-повітряної суміші.

У Чехословаччині так само проводилися подібні експерименти і було досягнуто запалення метаново-повітряної суміші вигоряючими зарядами амонітів IV класу. Спроби запалити метаново-повітряну суміш вигоряючими зарядами ВР V-VI класів закінчилися безрезультатно. У даному розділі роботи зроблена спроба встановити можливість підпалювання метаново-повітряної суміші вигоряючими зарядами високо запобіжних ВР V і VI класів та визначити умови підпалювання метаново-повітряної суміші вигоряючими зарядами різних ЗВР.

Для вирішення поставлених задач була розроблена і виготовлена установка, що дозволяє підпалювати патрони ВР. Горіння ВР супроводжується зростанням тиску в установці. У разі досягнення заданого тиску установка розгерметизується і продукти горіння, догоряючи частки ВР і матеріалу оболонки, викидаються у метаново-повітряну суміш. У результаті експериментів встановлено, що ймовірність запалення МПС залежить від тиску розгерметизації бомби. Зі збільшенням тиску імовірність запалення збільшується. Від тиску розгерметизації залежить і затримка запалення МПС.

Подібні експерименти проводили і з ВР VI класу.

Отримані дані показують реальну небезпеку вигоряння патронів високо запобіжних ВР V і VI класів. Запалення МПС вигоряючими зарядами ВР V і VI класів отримано вперше.

У третьому розділі приведені результати досліджень процесу вигоряння патронів - бойовиків. Вище було показано, що підпалювання заряду ВР електродетонатором може відбутися у випадку, коли ЕД має дефект, що призводить до його вигоряння, або коли електродетонатор працює нормально, але не може збудити детонацію ВР у патроні-бойовику. Здатність до підпалювання у вигоряючого електродетонатора трохи нижча ніж у нормально що детонує, тому в даному розділі було розглянуто процес підпалювання ВР у разі вигоряння ЕД. Як було наведено вище, електродетонатор може вигоряти в тому випадку, якщо в ньому відсутній первинний заряд, або маса цього заряду недостатня для ініціювання вторинного заряду. У таких ЕД, після подачі імпульсу струму на спламеняючу голівку, згоряють підпалюючій та затримуючій склади. При їх згорянні не виділяють газоподібних продуктів, але при цьому відбувається виділення тепла, що витрачається на прогрів вторинного заряду ЕД. Цього тепла цілком достатньо для розігріву і запалення вторинного заряду. У процесі згоряння вторинного заряду утворюються газоподібні продукти горіння і виділяється енергія. Тиск у гільзі електродетонатора починає зростати. Коли тиск у гільзі перевищить межу її міцності, остання руйнується і розігріті продукти згоряння затримуючого складів і гексогену викидаються у вибухову речовину, що оточує електродетонатор. Розрив гільзи може відбуватися як по лінії утворення, так і по діаметру гильзи. Для розриву по діаметру сила, що діє на дно гільзи, повинна перевищити межу міцності її стінок: F ? у1.

F = Sдн · P (1)

Де:

F - сила, що діє на дно гільзи;

Sдн - площа дна гільзи;

P - Тиск усередині гільзи.

Межа міцності виражається:

у1 = Sст * упр (2)

Де:

Sст - площа перетину стінок гільзи.

Звідси тиск у гільзі дорівнює:

Sдн * P ? у1 (3)

P ? Sст * упр / Sдн (4)

Для розриву по твірній, необхідно створити тиск:

P2 ? ф * упр /D (5)

Звідки: P2 ? 50 МПа.

Отже, відповідно до приведених розрахунків, гільза повинна розриватися по твірній, що і підтверджується проведеними експериментами. Розрахунки показали, що на момент розриву гільзи ЕД згоряє 0,1060 г гексогену. У гільзі вигоряючого електродетонатора відбуваються досить швидкі термодинамічні процеси за рахунок згоряння складу, що сповільнює, і частини гексогену. Енергію, що витрачається на розрив гільзи і запалення ВР можна виразити через ентальпію продуктів горіння складових, що входять у конструкцію електродетонатора. Зазначена ентальпія є функцією стану двох параметрів: тиску - Р і температури - Т.

і = f * (P,T) (6)

Розглянемо найбільш імовірну модель взаємодії вигоряючого електродетонатора і ВР, яка оточує його. У момент часу ф₀ відбувається відмова первинного заряду і відбувається підпалювання вторинного заряду. При цьому горіння вторинного заряду відбувається з виділенням енергії.

(7)

Де:

q_p - енергія, що виділилася;

m_i - маса згорілої частини i речовини;

E_i - питома енергія горіння i речовини.

Параметри стану продуктів горіння складуть Рг і Тг. У наступний проміжок часу:

ф1 = ф₀ +Дф

- продукти горіння роблять роботу з руйнування оболонки електродетонатора. Таке руйнування відбувається під дією розтягуючи напруг ут, у разі досягнення Р1 = упр при якому має наступити розрив оболонки електродетонатора. У цей момент часу продукти горіння швидко розширюються, їхня температура і тиск знижуються і з ВР, яка оточує гільзу, вони контактують з підпалюючи Р и Т, які дорівнюють:

Р₂ = Рпідп. * Т₂ = Тпідп. (8)

Якщо при цьому виконується умова:

Рпідп. ? Рпідп.вв * Тпідп. ? Тпідп.вв (9)

Тоді виникає горіння ВР, що характеризується деякою швидкістю горіння Uг.

Якщо в результаті теплообміну між ВР і оточуючим середовищем, товщина палаючого шару ВР виявиться достатньою для підтримки реакції горіння, що самостійно поширюється, то відбувається вигоряння патрона ВР. Якщо умова (9) не реалізується, або товщина прогрітого шару ВР виявиться недостатньою то вигоряння патрона - бойовика не відбудеться.

Тепло, що виділяється в процесі горіння, йде на змінення ентальпія системи - ВР електродетонатора - оболонка електродетонатора (гільза). Це змінення можна записати у вигляді:

(10)

Якщо dР = 0, то dq_p = di.

Для електродетонатора q_p, складається з теплоти згоряння сумішей і частини гексогену.

Теплота q_p витрачається на руйнування гільзи. Робота руйнування дорівнює:

чи (11)

З рівняння (11) отримуємо:

 (12)

Де:

R(ф) - радіус порожнини на момент розриву.

Середній діаметр сфери (порожнини розширення), як показали експерименти, складає 14,3 мм. Знаючи масу згорілого гексогену, інших сумішей, легко визначити початкові параметри стану продуктів згоряння на момент ф = ф₀:

(13)

(14)

Де:

k - співвідношення тепло-ємностей Ср і Сv.

Для того, щоб розрахувати зазначені параметри для електродетонатора ЕДКЗ - ПМ, необхідно обчислити теплоту згоряння сумішей. Ця теплота залежить від серії уповільнення електродетонатора.

З реакцій горіння, по складу і вазі сумішей, розраховані величини енергії, що виділяється при їх згорянні. Показано, що енергія, що віддається сумішами, коливається в межах 107,26 - 381,88 Дж - для електродетонаторів різних серій.

Загальна кількість енергії, необхідної для розриву гільзи електродетонатора, розрахована з вираження (13) складе 498,44 Дж. На момент розриву гільзи тиск продуктів горіння Р буде дорівнювати 50,0 МПа, а температура буде дорівнювати температурі горіння гексогену за винятком тепла, що йде на нагрівання гільзи. Як було доведено вище, для розриву гільзи електродетонатора згоряє 0,1060 м гексогену. При згорянні такої кількості гексогену виділяється 540 Дж енергії. згоряння сумішей дає, як показують розрахунки, від 107,26 до 381,88 Дж. Отже, загальна кількість енергії, яка вивільняється при згорянні компонентів електродетонатора, на момент розриву гільзи, складе 647 - 922 Дж. Віднімаючи від цієї енергії кількість тепла, що йде на розрив гільзи електродетонатора маємо енергію, що залишається в продуктах горіння та передається в навколишнє середовище.

Отже, на момент розриву гільзи електродетонатора продукти згоряння будуть мати енергію від 149 до 424 Дж. Звідси можна визначити параметри вигоряючого електродетонатора, що підпалюють ВР.

(15)

Де:

Q - кількість тепла, що міститься в продуктах горіння на момент розриву гільзи;

С - теплоємність продуктів згоряння компонентів електродетонатора.

Теплоємність продуктів згоряння складеться із суми тепло-ємностей продуктів згоряння сумішей та згорілої частини вторинного заряду. Для випадку, коли у вигоряючому ЕД виділяється 647 Дж тепла. У реакції бере участь, як було показано вище, 0,1060 м гексогену. Теплоємність продуктів реакції складе 4,85*10^-2 кал/К.

Тоді:

Тиск, на момент розриву гільзи буде дорівнювати:

Для випадку, коли у вигоряючому ЕД виділяється 922 Дж тепла.

Теплоємність продуктів реакції складе 7,622·10^-2 кал/К.

Температура продуктів згоряння елементів складу електродетонатора на момент розриву гільзи роботи буде дорівнювати:

Тиск, на момент розриву гільзи, буде дорівнювати:

Як видно з приведених розрахунків, у момент розриву гільзи ЕД на ВР патрона-бойовика впливають продукти горіння з температурою 733 - 1328°К та тиском 8,86 - 16,05 МПа. Механізм підпалювання ВР від вигоряючого електродетонатора полягає у підпалюванні ВР продуктами горіння сумішей та частини вторинного заряду, що згоряє.

З наведеного вище теоретичного обґрунтування, підтвердженого попередніми дослідженнями, випливає наступне:

Якщо усередині камери, з розміщеним у ній досліджуваним зарядом ВР, відсутній вільний простір або обсяг його менше якоїсь величини, то при неповній детонації електродетонатора підпалюються заряди усіх відомих промислових ВР. Для заряду будь-якої ВР можна знайти такий обсяг вільного простору, при якому цей заряд не підпалюється. Кожному проміжному значенню величини обсягу вільного простору відповідає визначена ймовірність підпалювання ВР. Як критерій стійкості зарядів ВР проти вигоряння прийнята величина обсягу вільного простору усередині герметичної камери з розміщеним у ній зарядом, що відповідає заданій імовірності підпалювання цього заряду. Чим менше обсяг камери, при якому досягається задана імовірність підпалювання випробуваного заряду ВР, тим вище стійкість цього заряду проти вигоряння. Метод проведення досліджень і обробки результатів - метод "униз-угору". Оцінкою схильності шпурових зарядів ВР до вигоряння служить розрахована за цим методом величина вільного обсягу установки, при якій реалізується задана ймовірність вигоряння ВР. Звичайно цю ймовірність приймають на рівні 50%, а вільний обсяг, що відповідає такій імовірності, позначають V50.

У процесі проведення експериментів з визначення \/₅₀, на деяких визначених обсягах вільного простору, для різних ВР і ЕД, як вигоряючих, так і тих, що нормально детонують, маємо визначену частість підпалювань заряду ВР.

Якщо залежність розподілу ймовірності підпалювання заряду ВР від ?gV представити у виді графіка в координатах:

і ш (х)

Де:

ш (х) - квантиль інтеграла імовірності, вибирається з таблиць у залежності від частості підпалювань, то вийде пряма лінія:

у = ах + в

Визначення рівняння цієї прямої лінії за методом найменших квадратів показало, що коефіцієнти а і b у рівнянні прямої будуть рівні:

а = -14,718;

в = -0,0242.

Коефіцієнт кореляції r = 0,948 показує, що для різних ВР, ЕД і умов експерименту між точками на прямій, обумовленій виразом у = -14,718X - 0,0242 існує тісна залежність. Отже розроблена методика визначення стійкості зарядів ВР проти вигоряння досить точно відтворює умови і механізм виникнення і розвитку процесу вигоряння шпурових зарядів ВР.

У четвертому розділі приведені результати досліджень впливу здатності ЕД до підпалювання і властивостей ВР на ймовірність виникнення вигорянь.

Вигоряння зарядів ВР, викликані ЕД, можуть мати місце за таких умов:

- ЕД не збудив детонацію заряду ВР;

- ЕД, що не збудив детонацію ініційованого ним заряду ВР, підпалив цей заряд.

Обидві умови є подіями, що мають якусь імовірність, тому й імовірність їхнього спільного настання, тобто імовірність вигоряння, може бути визначена за теоремою множення з виразу:

Р(В)=Р(Н) · Р(П) (16)

Де:

Р(В) - імовірність вигоряння;

Р(Н) - імовірність не збудження детонації (відмови) патрона-бойовика;

Р(П) - імовірність підпалювання патрона-бойовика ЕД.

Дотепер для зменшення ймовірності вигоряння шпурового заряду ВР використовували тільки один шлях - прагнули зменшити імовірність не збудження електродетонатором детонації заряду ВР. Це досягалося шляхом підвищення ініціюючої здатності електродетонатора, головним чином за рахунок збільшення маси його вторинного заряду. З цієї причини вітчизняні штатні запобіжні електродетонатори ЕДКЗ-ОП і ЕДКЗ-ПМ, які використовують у теперішній час, мають вторинний заряд гексогену масою 1,5 г проти 1,0 г у вітчизняних незапобіжних електродетонаторів.

Результати досліджень показали, що такий підхід до підвищення рівня безпеки ЕД, як потенційних джерел вигоряння зарядів ВР, не завжди виправданий. Уразі збільшенні маси вторинного заряду ЕД, його ініціююча здатність зростає, але одночасно росте його здатність до підпалювання.

Приведені в роботі результати теоретичних і експериментальних досліджень показали, що зниження маси вторинного заряду ЕД з 1,5 до 0,7 знижує імовірність вигорянь у 18,8 рази.

ЕД типу ЕДКЗ-ПМ мають запобіжну оболонку, що призначена для запобігання запаленню МПС - шар порошкоподібного сірчанокислого калію (СКК), нанесеного на поверхню гільзи і закріпленого на ній за допомогою лаку.

У випадку спрацьовування ЕД, оболонка руйнується і її речовина починає переміщуватись разом з розпеченими продуктами вибуху ЕД, знаходячись на периферії хмари цих продуктів. При цьому, у зоні контакту гарячих продуктів вибуху ЕД з навколишньою ВР буде підвищена концентрація матеріалу оболонки. Дослідження показали - якщо як матеріал оболонки використовувати речовину, що є інгібітором горіння ВР, тоді запобіжна оболонка крім свого прямого призначення (запобігання запалення МВС), буде перешкоджати підпалюванню ВР від ЕД. Проведені дослідження підтвердили це припущення і довели, що найбільше знижує ймовірність вигоряння зарядів ВР покриття гільз ЕД із ТНФ (натрій фосфорнокислий трьох заміщений, гідрат), а також алюмоамонійні квасці (АКК).

У четвертому розділі також наведені результати досліджень впливу властивостей ВР на імовірність виникнення вигорянь. Показано, що найбільший вплив на імовірність виникнення вигорянь має схильність ВР до підпалювання. Приведено методику розрахунку схильності ВР до підпалювання ВР за його компонентним складом. Показано, що введення до складу ВР інгібіторів підпалювання зменшує ймовірність вигоряння зарядів ВР від ЕД.

П'ятий розділ присвячено розробці за результатами проведених досліджень засобів запобігання вигорянням шпурових зарядів ВР.

Розробка ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигоряння.

У шахтах, небезпечних за вибухами газу та вугільного пилу, для ведення підривних робіт, найбільше поширення зараз має запобіжна ВР IV класу - амоніт Т-19. Раніше було доведено, що у разі застосування ВР IV класу - амоніту Т-19 відбуваються вибухи і спалахи МПС, значна кількість яких відбувається через низьку стійкість зазначеного амоніту проти вигоряння.

З огляду на те, що для вугільних шахт найважливішою споживчою властивістю ВР IV класу є їхня працездатність і зниження її небажане, представляється доцільним, не змінюючи амонійної основи Т-19, частину полум'я гасника замінити добавкою, що знижує схильність ВР до підпалювання. На підставі проведених досліджень було обрано найбільш перспективні добавки - ДАФ, природний графіт марки ГТ-1, фосфогипс Воскресенського та Сумського хімкомбінатів, а також природний викопний гіпс (сульфат кальцію дигідрат).

За сукупністю властивостей найбільш прийнятною добавкою виявився фосфогипс, на основі якого був розроблений зразок промислової ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигоряння, яка отримала найменування “амоніт Ф-5”.

Амоніт Ф-5 пройшов приймальні випробування на вугільних шахтах Донбасу. При цьому було встановлено, що за ефективністю і стійкістю детонації у виробничих умовах, амоніт Ф-5 не поступається штатному амоніту Т-19.

На промисловий зразок амоніту Ф-5 розроблені технічні умови “Речовини вибухові промислові. Запобіжний патронований амоніт Ф-5” ТУ 12.00174088.002-95.

На підставі позитивних результатів попередніх та приймальних виробничих випробувань амоніт Ф-5 допущений до постійного застосування в умовах, де дозволено використання ВР IV класу. Промислове виробництво амоніту Ф-5 освоєне в казенному хімічному об'єднанні ім. Г.І. Петровского.

Розробка ЕД зі зниженою здатністю до підпалювання.

Дослідження, представлені в попередніх розділах, показали, що здатність до підпалювання ЕД можна зменшити за рахунок застосування спеціальної запобіжної оболонки на основі ТНФ і за рахунок зниження маси вторинного заряду. На заводі виготовили гільзи з запобіжною оболонкою з ТНФ. У виготовлені гільзи спорядили електродетонатори типу ЕДКЗ-ПМ, з якими провели подальші дослідження. Одночасно, для порівняння, такі ж ЕД були виготовлені в гільзах з покриттям із СКК.

Численні експерименти показали, що заміна СКК у складі запобіжної оболонки ЕД на ТНФ у всіх випадках помітно знижує здатність ЕД до підпалювання. Останнє має місце при підпалюванні ВР як вигоряючими ЕД, так і детонуючи, у випадках їх розташування усередині і поза бойовиком.

Запобіжна оболонка, що складається зі СКК, наноситься на гільзу ЕД для надання йому запобіжних властивостей, тобто запобігання запаленням метаново-повітряної суміші під час вибуху в ній відкритого ЕД. Тому провели випробування електродетонаторів з експериментальним покриттям на запобіжні властивості, висадженням їхній у метаново-повітряній суміші з вмістом метану 9,5%.

Як показали випробування, зазначені електродетонатори за запобіжними властивостями відповідають вимогам ДСТ 21806-76 "Електродетонатори запобіжні коротко уповільненої. Технічні умови".

Враховуючі, що виробництво ТНФ є на Україні, він не дорожчий за СКК, тому доцільність застосування ТНФ замість СКК у складі запобіжної оболонки не викликає сумнівів.

Зниження здатності ЕД до підпалювання, за рахунок зменшення маси вторинного заряду.

Дослідження показали, що коли відстань між зарядами у вибої більше 25 см., для порушення їхньої нормальної детонації досить маси вторинного заряду 0,8 г. ДНАОП 0.00-1.17-92 “Єдині правила безпеки при підривних роботах” визначає припустимі відстані по вугіллю в шахтах не менші за 60см. В інших ситуаціях, що не позв'язані з ущільненням ВР, але можуть привести до вигоряння (наприклад, при висмикуванні електродетонатора з бойовика, порушенні хімічного складу ВР і т. ін.) зменшення маси вторинного заряду однозначно приводить до зменшення небезпеки вигоряння ВР.

Аналізуючи досвід застосування ЕД типу ЕД-8-Ж (ЕД миттєвої дії нормальної ініціюючої здатності) для ініціювання зарядів з амонітів ПЖВ-20, Т-19, №6ЖВ і ін., можна стверджувати, що розкид за часом спрацьовування ЕД миттєвої дії, рівний 4· 10^-3 с не призводить при ініціюванні врубових шпурів із зазначеними амонітами до відмов, неповних детонацій і вигорянь останніх.

Отже, у підвищеній ініціюючій здатності ЕД миттєвої дії немає необхідності.

Необхідно відзначити, що зменшення маси вторинного заряду дозволить вирішити проблему забезпечення запобіжних властивостей ЕД стосовно запалення МПС. У даний час запобіжні властивості ЕД забезпечує наявність сольового покриття гільз. При зниженні маси вторинного заряду до 0,8 г, як показали проведені дослідження, для забезпечення запобіжних властивостей сольового покриття гільз не потрібно.

Таким чином, зменшення маси вторинного заряду поряд зі зниженням здатності, до підпалювання, і зменшення імовірності вигоряння шпурових зарядів, дозволяє:

- забезпечити необхідні запобіжні властивості ЕД без сольового покриття гільз;

- випускати ЕД миттєвої дії універсальні, замінивши ними ЕД валового виробництва типу ЕД-8Ж(Э) ДСТ 9089-75 і ЕДКЗ-0П ДСТ 21806-76;

- за рахунок зменшення довжини вторинного заряду (без зміни довжини гільзи) помістити між голівкою електричного підпалювача і чашечкою, що прикриває первинний заряд, вузол захисту ЕД від вибухів на випадок механічних впливів на нього.

Такі ЕД були розроблені МакНДІ в ході виконання роботи “Розробити і впровадити електродетонатори миттєвої дії, що виключають запалення метану”.

Розроблені ЕД одержали найменування “ЕД - 0ПБ” (електродетонатори миттєвої дії підвищеної безпеки). Вони мають знижену здатність до підпалювання, підвищені (на 25%) запобіжні властивості, у разі вибуху в МПС. У порівнянні з запобіжними електродетонаторами ЕДКЗ-0П (ДСТ 21806-76), що застосовуються зараз, витримують без вибухів ударні навантаження з енергією до 46 Дж. Всі існуючі типи промислових ЕД як вітчизняного, так і закордонного виробництва починають вибухати при ударних навантаженнях з енергією порядку 3,5 - 4,0 Дж і безвідмовно вибухають при навантаженнях 8,5 Дж.

У 2000 - 2001 р., електродетонатори ЕД-0ПБ проходили приймальні випробування на вугільних шахтах Донбасу в різних гірничо-геологічних умовах. Усього в процесі проведення приймальних випробувань було витрачено 50 тисяч шт. ЕД-0ПБ. На підставі позитивних результатів приймальних випробувань, ЕД типу ЕД-0ПБ рекомендовані до постійного застосування замість електродетонаторів ЕДКЗ-0П (ДСТ 21806-76) і ЕД-8-Ж(Э) (ДСТ 9089-75).

На ЕД-0ПБ, разом із заводом “Імпульс” м. Шостка, розроблені і погоджені у встановленому порядку технічні умови ТУ У 3.50-14314452-99 (РИШБ.773951.005) “Електродетонатор запобіжний миттєвої дії ЕД - 0ПБ”.

В даний час електродетонатори ЕД-0ПБ знаходяться в стадії впровадження.

Висновки

У дисертаційній роботі, шляхом теоретичних і експериментальних досліджень, вирішена актуальна задача зниження імовірності виникнення і розвитку вигорянь шпурових зарядів ВР, що забезпечує підвищення рівня безпеки ведення підривних робіт у вугільних шахтах.

Найбільш важливі наукові і практичні результати і висновки полягають у наступному:

1. При веденні підривних робіт у вугільних шахтах відбувається в середньому одне вигоряння на кілька тисяч тонн витрачених ЗВР.

2. Особлива небезпека вигоряючих зарядів ВР визначається тим, що процес горіння заряду ВР продовжується десятки хвилин, за цей час з відбитої гірничої маси виділяється метан і у вибої може утворитися МПС вибухонебезпечної концентрації.

3. Кількість запалень МПС від вигоряючих зарядів складає близько 30% від загальної кількості вибухів і спалахувань, а при проведенні ВР у режимі висадження цей показник досягає 40 - 50%.

4. Для виникнення вигоряння ВР необхідно забезпечити збереження герметичності зарядної камери шпуру. Уразі нормального спрацьовування патрона - бойовика, маса ВР якого складає 200 - 300 г, у вугільному вибої устя шпуру, як правило, руйнується і зберегти герметичність зарядної камери шпуру практично неможливо.

5. Аналіз відомих випадків вигоряння ВР у шпурах, що мали місце у вугільних шахтах, показує, що у всіх випадках, коли під час розслідування причин і обставин аварії вдавалося визначити місце початку вигоряння, воно завжди починалося на патроні - бойовику.

6. Джерелом підпалювання патрона - бойовика в заряді може служити тільки ЕД. Причому вигоряння ВР може викликати як ЕД, що нормально детонує, так і ЕД який має дефект, що призводить до різкого зниження його ініціюючого імпульсу. Звідси випливає, що поряд з “класичним” механізмом виникнення вигоряння шпурового заряду ВР, існує механізм виникнення вигорянь від ЕД, що за можливими шляхами запобігання вигорянням, істотно відрізняється від “класичної” схеми.

7. Основний дефект ЕД, що приводить до його вигоряння і підпалювання ВР - це відсутність первинного заряду (азиду свинцю) чи його флегматизація.

8. Розроблено нескладний пристрій, що моделює процес підпалювання шпурового заряду ВР від ЕД, що дозволяє відтворити вигоряння шпурового заряду ВР як від дефектного, так і від ЕД, що нормально спрацьовує.

9. Розроблено методики, що дозволили провести широке коло досліджень пов'язаних з вирішенням основних питань вигоряння ВР від електродетонаторів. Отримані результати досліджень дозволили уточнити механізм виникнення вигорянь шпурових зарядів високо запобіжних ВР і визначити шляхи зниження імовірності таких вигорянь. Показано, що схильність ВР до підпалювання є найважливішим показником безпеки ВР. Нам невідомий який-небудь інший показник безпеки, для якого б існував такий чіткий зв'язок між його величиною в тій чи іншій ВР і результатами застосування цієї ВР на практиці. Таким чином, створення запобіжних ВР зі зниженою підпалювання є необхідною передумовою для повного виключення запалень метану при підривних роботах. На підставі проведених досліджень доведено, що імовірність підпалювання ВР залежить від наявності в його складі інгібіторів підпалювання. підпалювання безпека підривний

10. Результати досліджень покладені в основу розроблених МакНДІ технічних умов на запобіжні ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигорянь і технічних умов на ЕД зі зниженою здатністю до підпалювання ВР.

Реалізація запропонованих рішень дозволила розробити і впровадити у вугільних шахтах нову запобіжну ВР IV класу з підвищеною стійкістю до вигорянь - амоніт Ф-5. Розробити, провести приймальні випробування і впровадити нові ЕД зі зниженою здатністю до підпалювання - ЕД-0ПБ.

Основні положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

Зенин В.И., Манжос Ю.В. Исследование воспламенений метаново-воздушной смеси выгорающими зарядами ВВ // Безопасность взрывных работ в угольных шахтах / Сб. стат. - Вып. 10. - Макеевка-Донбасс, МакНИИ, - 1979. - С. 3-6.

Зенин В.И., Казачков В.С., Манжос Ю.В. Устойчивость против выгорания крупнодисперсных предохранительных ВВ // Способы и средства безопасного ведения взрывных работ, совершенствование проветривания угольных шахт / Сб. научных трудов МакНИИ.- Макеевка-Донбасс: МакНИИ, - 1980. - С. 26-28.

Зенин В.И., Манжос Ю.В. Поджигание ВВ дефектными электро-детонаторами // Способы безопасного ведения взрывных работ и борьба с выбросами в угольных шахтах / Сб. научных трудов МакНИИ.- Макеевка-Донбасс: МакНИИ, - 1981. - С. 10 - 11.

Манжос Ю.В. Исследование основных факторов, влияющих на поджигание ВВ электро-детонаторами // Способы безопасного ведения взрывных работ и борьба с выбросами в угольных шахтах / Сб. научных трудов МакНИИ.- Макеевка-Донбасс: МакНИИ, - 1983. - С. 7 - 10.

Зенин В.И., Манжос Ю.В. Исследование путей предотвращения выгорания ВВ в шпурах // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах / Сб. научных трудов МакНИИ.- Макеевка-Донбасс: МакНИИ, - 1983. - С. 30 - 38.

Авторское свидетельство СССР №1050329 C06F42. Электродетонатор для взрывных работ в шахтах, опасных по газу и пыли // авт. Зенин В. И., Казачков В.С., Манжос Ю.В., Шумский А.И., Белов А.Г. № заявки 3394944, заявлено 11.02.82., зарегестрировано в госреестре 22 июня 1983.

Размещено на Allbest.ru

...