Эксплуатационная безопасность конденсированных взрывчатых веществ

Оценка вероятности взрыва от механических воздействий

На стендах, описанных выше, проводятся исследования опаснос-ти механических воздействий, которым ВВ могут подвергаться при механизированном заряжании. Исследования проводились на широко применяющихся при механизированном заряжании ВВ, а также на некоторых модельных составах.

Опасность ударных нагрузок. Условиями (факторами), от которых зависит возможность взрыва при ударе, помимо природы ВВ, являются конфигурация, размеры, материал, чистота обработки соударяющихся поверхностей, размеры и величина навески ВВ, а также условия истечения ВВ при ударе, так как при механизированном заряжании возможны нагрузки в условиях свободного или стесненного истечения ВВ из-под соударяющихся поверхностей.

При испытаниях чувствительности ВВ к удару моделирование условий удара сводилось к двум крайним случаям - удару острием и плоской поверхностью. В опытах применялись бойки стальные и армированные пластинкой ВК-15 диаметром 25 мм с углом заострения 55о . В опытах [43] использовались следующие ВВ с навесками от 30 до 40 г: модельный состав №54, имеющий максимально возможное для предохранительных ВВ IV класса содержание гексогена и приготовленный на гранулированной аммиачной селитре; модельный состав «H», подобный составу №54, но содержащий вместо гексогена желатинированные нитроэфиры и приготовленный на мелкокристаллической селитре; порошкообразный аммонит 6ЖВ. Результаты опытов, приведенные в таблице 5.7, показывают, что взрываются при ударах только составы, содержащие гексоген и нитроэфиры, причем составы с нитроэфирами более взрывоопасны и мощность их взрывов выше.

Таблица 5.7 - Экспериментальные данные по чувствительности к удару некоторых составов ВВ

ВВ	Материал бойка	Угол заострения бойка, градус	Энергия удара, кгс·м	Число опытов	Число взрывов	Частость взрывов, %
Состав 54	сталь 45	55	22	200	4	2,0
Состав 54	сталь 45	55	19	200	3	1,5
Состав 54	сталь 45	55	16	420	0	0
Состав «H»	ВК-15	55	22	14	5	36
Состав 54	ВК-15	110	16	10	0	0
Состав «H»	ВК-15	110	16	10	2	20
Аммонит 6ЖВ	ВК-15	55	65	100	0	0
Аммонит 6ЖВ	ВК-15	110	40	200	0	0

На основании экспериментальных данных сделаны выводы по ориентации на применение тротилосодержащих составов для механизированного заряжания.

При испытании промышленных ВВ ударом плоской поверхностью в определенных условиях происходят вспышки ВВ, что может привести к возбуждению взрыва. Наличие очагов возбуждения установлено опытами, в которых использовались поддоны из дюралюминия, латуни и стали со шлифованными поверхностями, на которых оставались следы микровзрывов.

Вспышка является первой и необходимой предпосылкой возникновения взрыва. Если испытываемое ВВ мало отличается по детонационной способности, частость вспышек может служить показателем опасности их применения. С увеличением площади соударения (диаметра бойка) вероятность взрывов увеличивается: при диаметре бойка 10 мм в опытах не было вспышек и взрывов, а при диаметре бойка 20 мм и энергии удара 65 кгс·м все испытанные ВВ давали взрывы, что объясняется механизмом «горячих точек» при ударе.

Из таблицы 5.7 видно, что испытанные ВВ в результате ударов плоской поверхностью по свободно лежащему заряду дают вспышки или взрывы. Наиболее безопасными, как и при ударах заостренным бойком, оказались ВВ, не содержащие гексогена и нитроэфиров.

Из приведенных опытов сделан вывод, что для снижения травматизма целесообразно ориентироваться на применение ВВ, не содержащих чувствительных сенсибилизаторов.

На различных операциях с ВВ при эксплуатации, в том числе операции заряжания ВВ в скважины, широко применяют материалы из различных сплавов на основе алюминия и меди. В таблице 5.8 приведены результаты оценки влияния материала и чистоты его обработки на частость вспышек и взрывов [43] в опытах с зерногранулитом 79/21 на поддонах с относительно «чистой» поверхностью (Raот 2,5 мкм до 0,63 мкм), имеющих царапины и вмятины глубиной до 1 мм. При каждом значении энергии удара проводилось от 100 до 180 опытов.

Таблица 5.8 - Экспериментальные данные по чувствительности к удару плоской поверхностью бойка для некоторых ВВ

ВВ	Число опытов	Число вспышек	Число взрывов	Частость взрывов, вспышек, %
Детонит 6А	14	8	4	86
Детонит 10А	14	3	1	29
Победит ВП-6	29	3	0	10
Тротил (гранулированный)	29	16	0	55
Алюмотол	29	18	0	62
Аммонит 6ЖВ	29	7	0	24
Динамон	29	3	0	10
Гексонит 3	15	3	0	20
Гексамон	29	4	0	13

В результате анализа данных таблицы 5.9 авторами [43] сделаны выводы:

при соударении деталей, изготовленных из стали, дюралюминия или латуни, с энергией удара до 10 кгсЧм случаев вспышек зерногранулита 79/21 не было;

для стали, дюралюминия и латуни повышение чистоты обработки соударяющихся поверхностей снижает вероятность вспышек;

при соударении стальных деталей с шероховатой поверхностью вероятность вспышки выше, чем при соударении деталей из дюралюминия и латуни.

Таблица 5.9 - Экспериментальные данные по чувствительности к удару зерногранулита в зависимости от материала подложки

Показатели	Тип поддона	Сталь	Дюралюминий	Латунь
Энергия удара, кгсЧм	гладкие	10	20	10	20	10	20
Частость вспышек, %	гладкие	0	21	0	0	0	0
Энергия удара, кгсЧм	изношенные	10	20	-	-	10	20
Частость вспышек, %	изношенные	0	48	-	-	0	13



5.4 Оценка электростатической безопасности при эксплуатации ВВ

Одним из перспективных направлений в области совершенствования техники и технологии взрывных работ, повышения производительности труда является механизация процессов заряжания зарядов ВВ с использованием пневмотранспорта, когда ВВ движется по шлангам к зарядным камерам потоком сжатого воздуха во взвешенном состоянии. При этом процессе возникает ряд нежелательных и опасных явлений: образование пылевого облака с различным фракционным спектром из частиц ВВ, при движении которых образуются заряды статического электричества, разряд которых может привести к вспышкам взвешенной пыли ВВ.

Обеспечение электростатической безопасности основывается на данных по электростатическим показателям, характеризующих чувствительность ВВ и средств взрывания к воздействию разрядов статического электричества (см. раздел 4) и выявлению параметров электростатических полей в производственных условиях. Явления и теоретические основы электризации пневмотранспорта изложены сотрудниками ВНИИПО, МИХМа в монографии [29] на основе работ, проводимых в лабораторных условиях на различных диэлектрических материалах. На натурных установках исследования пневмотранспорта с ВВ проводились в секторе физико-технических горных проблем Института физики Земли АН СССР, ИГД им. А.А. Скочинского, Северокавказском горно-металлургическом институте (СКГМИ), МакНИИ (г. Макеевка), Казахском политехническом институте и других предприятиях [7, 44-46].

5.4.1 Исследование опасности электростатических разрядов в пневмозаряжающих устройствах

В процессе пневмотранспорта сыпучих ВВ за счет накопления зарядов могут возникать следующие электрические разряды.

1. Искровые разряды, при которых возможен электростатический пробой диэлектрической стенки шланга. В этом случае условие пробоя материала шланга будет [29, 47]

s Ј eeо Епр , (5.10)

где s - максимальная плотность электростатических зарядов на поверхности материала, мкКл/см2 ;

e, eо - диэлектрическая проницаемость материала и вакуума соответственно;

Епр - пробивная напряженность материала (электрическая прочность), кВ/см.

2. Разряды, имеющие место при резком нарушении механической целостности пневмотранспортирующей магистрали. Пробой возможен с наэлектризованного материала на заземленные части оборудования. Тогда в выражении (5.10) значение пробивной напряженности Епропределяется свойствами газа (воздуха), в котором транспортируется ВВ. Максимальное значение пробивной напряженности для воздуха равно Епр =3Ч106 В/м.

3. Искровые разряды с проводящих элементов (металлические соединительные муфты) магистральных шлангов на заземленные элементы оборудования. Энергия электростатических зарядов, накапливаемых на проводящих элементах, определяется как энергия заряженного конденсатора

, (5.11)

где С - электрическая емкость металлических элементов, относительно земли, пФ;

U - потенциал на элементе, В.

4. Разряды с внутренней поверхности шланга на заземленные предметы. Условием отсутствия скользящих разрядов в соответствии с ГОСТ 12.1.018 [46] является

s Ј 0,4ЧК Чsпр , (5.12)

где s - плотность зарядов на поверхности шланга, мкКл/см2 ;

К - коэффициент безопасности;

sпр - плотность зарядов, соответствующая диэлектрической прочности материала шланга, мкКл/см2 .

5. Электрические разряды, происходящие внутри шланга. Например, между разнополярными объёмами концентраций взвешенных частиц.

Наиболее опасными являются последние три вида разрядов, так как в этих случаях искра имеет непосредственный контакт с пылевоздушной смесью ВВ. Среди электростатических разрядов внутри шланга следует выделить разряды, скользящие по внутренней поверхности шланга, и разряды, происходящие в потоке транспортируемого материала.

На рисунке 5.11 схематично показаны искровые разряды (1, 2, 3, 4, 5), возможные при пневмотранспортировании сыпучих ВВ, а также приведена схема исследований условий образования искр с проводящих элементов пневмотранспортирующих шлангов.

Рисунок 5.11 - Схема образования и измерения электростатических разрядов при транспортировании россыпных ВВ по диэлектрическим шлангам

Полученные осциллограммы искровых разрядов с проводящих элементов наэлектризованных поверхностей показывают, что эти разряды происходят с интервалом 0,12…0,3 с. Указанная частота разрядов получена с емкости порядка 100 пФ, заряженной относительно земли до 10 кВ, при транспортировании аммиачной селитры с влажностью 0,1 % по диэлектрическому полиэтиленовому шлангу. Величина энергии, накопленной на различных металлических элементах шланга (хомутах, фланцах), с учётом их емкости приведена в таблице 5.10.

Таблица 5.10 - Электростатическая энергия на элементах шланга

Показатели	Емкость С , 1Ч10-12 Ф
	50	100	150	300	400	500
Напряжение, В	15000	9300	8100	5000	4300	3000
Энергия разряда, 1Ч10-5 Дж	560	430	490	375	460	225

Электрическая емкость элементов шахтного оборудования не превышает 500 пФ. Это значение емкости принято рядом стран как максимально возможная величина емкости в шахтных условиях. В пневмозаряжающих системах маловероятно, чтобы изолированные металлические поверхности, с которых возможен разряд на заземленные предметы, имели большую емкость. Поэтому для оценки опасности этого вида искровых разрядов при подсчете энергии за емкостной параметр была принята величина 500 пФ [29].

В таблице 5.10 включены максимальные значения потенциалов, при которых наблюдались электрические разряды с проводящих элементов различной емкости.

Для оценки электростатической безопасности необходимо знать чувствительность аммиачно-селитровых ВВ к искровому разряду, при котором они воспламеняются, исходя из условий безопасности

W 0 Ј KW мин , (5.13)

где W 0 - накопленная энергия при электризации, мДж;

К - коэффициент безопасности;

W мин - чувствительность ВВ к электрическому разряду, мДж.

В таблице 5.11 приведены данные, полученные в лаборатории Северокавказского горно-металлургического института, по минимальной энергии воспламенения аэровзвесей нижнего (НКП) и верхнего (ВКП) концентрационных пределов некоторых гранулированных ВВ при влажности до 1 %.

Таблица 5.11 - Минимальная энергия зажигания некоторых ВВ

Показатели	Гранулиты	Зерногранулит 79/12	Граммонал А-8
Дисперсность, 1Ч10-3 м	-	0,1	-	0,16	0,05-0,063	0,25-0,4
НКП, мг/м3	142	139	129	134	1,49	5,83
ВКП, мг/м3	274	296	203	297	713	378
Энергия, мДж	3,1	3,02	2,97	2,93	1,05	1,32

Наиболее эффективным средством, предупреждающим искрообразование, является заземление проводящих элементов пневмозаряжающего оборудования. Искровые разряды по внутренней поверхности полиэтиленовых шлангов происходили при пневмотранспортировании аммиачной селитры влажностью не более 0,2 %. Длина наблюдаемых искровых разрядов не превышала 0,1 м, а разность потенциалов составляла 1 кВ. После прокладки внутрь шланга электропроводящей жилы, электростатические разряды исчезали ввиду стекания зарядов на землю по токопроводящей жиле.

5.4.2 Влияние технологических факторов пневмозаряжания на процесс электризации

Наиболее полно проведено изучение электростатических явлений, сопровождающих пневмозаряжание россыпных ВВ в СКГМИ на экспериментальном стенде (рисунок 5.12), который состоит из заряжающего устройства 1, магистрали 2 в виде шланга длиной 60 м и диаметром от 32 до 50 мм, взрывной камеры 3 (конструкции МакНИИ), системы регистрирующих устройств (отметчик времени 4, гальванометры 5, фотодатчик 6, потенциалосъемник 7) и измерительной аппаратуры (электростатический вольтметр 8). В качестве заряжающих устройств использовались пневмозарядчики «Курама-5», «Вахш-4». Вся пневмосистема была тщательно изолирована и позволяла осуществлять движение потока ВВ по разомкнутому (свободный выброс в отдельный бункер) и замкнутому контурам. В процессе опытов изучалось влияние на процесс электризации материала шлангов и влажности воздуха, скорости движения смеси по шлангу, гранулометрического состава ВВ, радиуса закругления и длины магистрали.

Рисунок 5.12 - Схема экспериментального стенда для исследования электрических явлений в пневмозаряжающих системах (СКГМИ)

При определении влияния электрического сопротивления шлангов на процесс электризации использовались шланги из различных материалов с внутренним диаметром от 32 до 36 мм. Испытания на установке проводились с аммиачной селитрой влажностью от 0,30 до 0,45 % по замкнутому циклу при скорости потока от 18 до 20 м/с. Относительная влажность воздуха была в пределах 45_50 %. По результатам исследований можно сделать вывод, что электризуемость шлангов сильно зависит от электрического сопротивления (таблица 5.12).

Таблица 5.12 - Результаты исследования электризации шлангов из различных материалов

Материал шланга	Электрическое сопротивление rV , ОмЧсм	Максимальный потенциал электризации, В
Полиэтилен низкого давления	2,1Ч1010	8000
Полиэтилен высокого давления	1,4Ч1010	7250
Полупроводящий полиэтилен	2,7Ч106	100
Полихлорвинил (ПХВ)	2,9Ч1011	11500
Резина	1,6Ч108	2100

Необходимо отметить, что при сопротивлении rV = 2,7Ч104 ОмЧм полупроводящего материала на нем все же отмечен незначительный потенциал электризации (U =100 В), при этом скорость стекания электростатических зарядов соизмерима со скоростью накопления их при движении пневмопотока ВВ со скоростью от 18 до 20 м/с. При проведении аналогичных полигонных испытаний на Никитовском руднике [44] с электропроводящим шлангом из полиэтилена П2ЭС Олайнинского завода при механизированном заряжании скважин зерногранулитом 79/21 у шлангов, имеющих сопротивление rVЈ104 ОмЧм, и в скважинах электризации обнаружено не было (таблица 5.13).

Таблица 5.13 - Результаты испытаний на электризацию электропроводящих шлангов

Объёмное сопротивление шлангов П2ЭС-8, ОмЧм	Общая длина шлангов, м	Измеряемое расстояние точки замера от зарядной машины, м	Количество ВВ, заряжаемое в смену, кг	Потенциал электризации, В
1,6Ч103	100	10; 50; 95	2500	0
1,2Ч103	100	10; 50; 95	2500	0
3Ч102	100	10; 50; 95	1800	0
4Ч102	100	10; 50; 95	2200	0

При увеличении относительной влажности воздуха электризация при транспортировании аммиачной селитры с размером кристаллов от 0,1 до 0,3 мм по резиновым и полиэтиленовым шлангам резко снижается (таблица 5.14). Следовательно, высокая влажность воздуха, характерная для шахтных условий, будет снижать электризацию ВВ и повышать электростатическую безопасность.

Таблица 5.14 - Результаты испытаний шлангов на электризацию в зависимости от влажности воздуха

Заданные параметры	Материал шланга
	полиэтилен	резина
Относительная влажность воздуха, %	50	60	70	80	50	60	70	80
Максимальный потенциал, кВ	9,5	8,2	6,0	0,1	4,5	2,3	1,1	0,3

Влияние скорости транспортирования на электризацию изучалось с использованием аммиачной селитры, гранулита АС-8 и игданита, которые транспортировались по полиэтиленовому и резиновому шлангам диаметром 36 мм при относительной влажности воздуха от 45 до 50 %, влажности ВВ от 0,3 до 0,5 % (таблица 5.15). Концентрация ВВ в шланге находилась в пределах 8…10 кг на 1 м3 воздуха. Из данных таблицы 5.15 видно, что происходит интенсивный рост электризации в интервале скоростей от 5 до 25 м/с. Хотя в некоторых работах [44] отмечается, что максимальная электризация ВВ наблюдается при предельной скорости от 50 до 55 м/с, а при скорости транспортирования от 1 до 2 м/с электризация практически прекращается.



Таблица 5.15 - Результаты испытаний шлангов на электризацию в зависимости от скорости транспортируемого ВВ

Материал шланга	Транспортируемое ВВ	Величина потенциала (кВ) при скорости транспортирования, м/с
		5	10	15	20	25
Полиэтилен	Аммиачная селитра	2,7	5,3	7,6	8,8	9,4
	Гранулит АС-8	2,2	4,5	6,4	7,3	8,0
	Игданит	0,6	1,3	2,0	2,6	2,8
Резина	Аммиачная селитра	1,1	2,0	3,0	4,2	4,7
	Гранулит АС-8	0,9	1,5	2,4	3,1	3,5
	Игданит	1,2	2,7	3,6	4,7	5,5

Полученные результаты согласуются с выражением константы генерирования ж, по величине которой проводят количественное сравнение электризуемости трубопроводов [29]:

ж= (5.14)

где ж - коэффициент генерирования, характеризующий (применительно к условиям пневмотранспорта) электроконтактные свойства взаимодействующей пары материалов, мкКлЧс0,8 /м3,8 ;

J - ток электризации, мкА;

m - массовая концентрация транспортируемого материала в потоке, кг/кг;

n - средняя по сечению скорость транспортирующего воздуха, м/с;

D и L - диаметр проходного сечения и длина трубы, м.

Влияние гранулометрического состава транспортируемого ВВ на степень электризации показано зависимостями электростатического потенциала от гранулометрического состава транспортируемого вещества различных фракций (рисунок 5.13): 0-0,25; 0,5-0,75; 1,0-1,25; 1,25-1,5 мм. Данные приведены при относительной влажности воздуха 50 %, концентрации потока 5 кг/м3 и скорости транспортирования 20 м/с.

Зависимость изменения потенциала электризации от гранулометрического состава ВВ показывает, что мелкие частицы создают более высокие потенциалы электризации. Наиболее интенсивное снижение потенциала происходит при увеличении диаметра гранул транспортируемого ВВ в диапазоне от 0,125 до 0,500 мм. Полученные результаты соответствуют классическому закону Гаусса при моделировании электризации частиц у стенки при соударении [48]:

, (5.15)

где U - потенциал частицы, В;

hC - расстояние между частицей и стенкой материала, мм;

Q - заряд частицы, Кл;

R - радиус частицы, мм.

Из формулы (5.15) следует, что потенциал электризации частицы и, следовательно, суммарный потенциал потока частиц увеличивается с уменьшением радиуса частиц R , в действительности данная зависимость гораздо сложнее, т.к. на электризацию частиц оказывают влияние гидродинамические, физические и другие факторы.

Кроме описанных выше факторов, влияющих на электризацию при транспортировании ВВ, необходимо отметить влияние кривизны трубопроводов. На рисунке 5.14 показана зависимость потенциала электризации от радиуса закругления магистрали из диэлектрического полиэтиленового шланга при транспортировании аммиачной селитры, гранулита АС-8 и игданита. Радиус закругления транспортирующего шланга изменялся от 0,25 до 3 м при скорости транспортирования 20 м/с по замкнутому циклу. Из полученных зависимостей следует, что прокладку транспортирующего шланга при пневмозаряжании следует делать так, чтобы радиусы закруглений рабочей магистрали были не менее 0,5 м. Участки закруглений необходимо изготавливать из электропроводящих материалов и заземлять.

Рисунок 5.14 - Зависимость потенциала электризации от радиуса закругления магистрали из полиэтиленового шланга. 1 - аммиачная селитра; 2 - гранулит АС-8; 3 - игданит

В работе при исследовании электризации ВВ при транспортировании в плотном слое по металлическим трубам (таблица 5.16) для снижения электризуемости сформулированы рекомендации:

необходимо трубопроводы изготавливать из нержавеющей стали;

исключить резкие повороты трубопроводов;

обеспечить надёжное транспортирование веществ.

Таблица 5.16 - Электризация ВВ в зависимости от материала труб

Транспортируемое вещество	Массовый заряд, мкКл/кг
	стальной трубопровод	латунный трубопровод
Алюминиевый порошок ПА-4	0,03	0,07
Штатный порошок ГОСТ 5207-61	0,41	0,53
Вещество ОСТ В84-1067-75	0,12	0,23

На основании проведенных исследований разработано специальное устройство для снижения электризации, в котором часть трубопроводов выполнена в виде многозаходной объёмной спирали.

5.4.3 Основные принципы защиты от статического электричества при пневмозаряжании

В большинстве случаев для предотвращения опасных проявлений статического электричества стараются устранить или, по крайней мере, уменьшить величину образующихся электростатических зарядов. Разряд статического электричества может быть источником воспламенения при соблюдении следующих условий:

наличие источника электростатических зарядов;

накопление зарядов на контактирующих поверхностях, при этом достижение пробойной напряженности электростатического поля;

наличие горючей среды;

энергия электростатических разрядов должна быть достаточной для воспламенения данного горючей среды.

Из данных условий следует, что отсутствие хотя бы одного из них делает невозможным возникновение взрыва или пожара от статического электричества. На этом и основаны наиболее общие методы защиты.

Условие безопасности при разрядах статического электричества записывается в виде уравнения (5.13), из которого следует, что разряды с энергией, меньше минимальной энергии зажигания ВВ, не представляют опасности. Поэтому в производственных условиях стремятся уменьшить энергию электростатических разрядов до безопасной величины. Ниже описаны основные методы, способствующие уменьшению электризации ВВ.

Отвод зарядов с помощью заземления

Заземление деталей и узлов пневмозаряжающих устройств является одним из средств защиты от накопления зарядов статического электричества. Заземление обеспечивает отвод электрических зарядов с проводящих и полупроводящих элементов. В качестве заземления для пневмозаряжающих устройств используют индивидуальные заземлители в виде углубленных в породу металлических стержней или труб, при этом удельное электрическое сопротивление породы должно обеспечивать сток зарядов.

Эффективный отвод зарядов статического электричества от частей и деталей машин обеспечивается при условии, если их удельное объёмное сопротивление не превышает 106 ОмЧм. При этом применяемое для пневмозаряжания оборудование можно считать электростатически заземленным, если сопротивление утечки тока в любой точке при самых неблагоприятных условиях не превышает 106ОмЧм.

Рассеивание и стекание зарядов

К мероприятиям, обеспечивающим рассеивание и стекание зарядов, относятся увеличение электрической проводимости окружающей среды; снижение поверхностного или объёмного сопротивления электризующихся поверхностей [5, 49]. В качестве средств для снижения поверхностного сопротивления применяются повышение влажности воздуха (обеспечивающее образование на поверхностях проводящей влажной пленки), нанесение или обработка поверхностей элементов оборудования антистатическими веществами [50].

Увеличение утечки зарядов при повышении влажности (рисунок 5.15) [5] связано с адсорбцией на поверхности диэлектриков тонкой пленки влаги, содержащей определенное количество ионов из загрязнений и растворенных веществ, способствующих повышению проводимости материалов и образованию путей утечки зарядов статического электричества.

Время образования проводящей пленки на поверхностях изоляционных материалов значительно и может достигать 3, 4 суток. Это обусловлено скоростью изменения относительной влажности воздуха, адсорбционной способностью материала пневмопроводов и т.п. Поэтому в рудниках и шахтных условиях, даже при относительной влажности воздуха от 80 до 85 %, только что смонтированная и включенная в работу пневмозаряжающая установка не будет иметь в течение некоторого времени проводящей пленки.

Рисунок 5.15 - Зависимость плотности зарядов на полиэтиленовой пластине при натирании шерстью от относительной влажности воздуха [5]

Условием стекания электростатических зарядов с поверхностей оборудования является минимальное время релаксации t, с:

, (5.16)

где g - удельная проводимость материала, 1/Ом·м.

Увлажненный рудничный (шахтный) воздух содержит в своем составе определенное количество примесей. При высокой относительной влажности окружающей среды такой воздух можно считать своеобразным электролитом. Поэтому увеличение влажности рудничного воздуха если и не оказывает существенного влияния на утечку зарядов с гидрофобных поверхностей диэлектриков, то способствует рассеиванию зарядов, накапливаемых на металлических элементах пневмозаряжающих установок. Так, при пневмотранспортировании гранулированной аммиачной селитры по полиэтиленовому шлангу при относительной влажности воздуха 80 % потенциал движущего потока составлял 100 В (см. таблицу 5.14). В то же время на соединительных металлических муфтах потенциал отсутствовал.

Таким образом, увлажнение воздуха является одним из средств борьбы со статическим электричеством, ускоряющим рассеивание и стекание зарядов с наэлектризованных поверхностей, уменьшающим вероятность накопления электростатических зарядов до опасных величин. При пневмотранспортировании россыпных ВВ в минные камеры и скважины увлажнение воздуха как меру, способствующую уменьшению накопления зарядов, целесообразно применять в сухих забоях, используя для этой цели локальные средства: орошение водой, водяные завесы и т.д.

Удобны и эффективны методы защиты от статического электричества, основанные на повышении антистатических свойств электризующегося полимера шлангов путем введения в его состав соответствующих добавок, например сажи, графита, порошков металлов, карбонильного никеля. Утечка электростатических зарядов в этом случае обеспечивается увеличением объёмной проводимости этих материалов. Ранними объектами исследований при разработке электропроводящих композиций были промышленные образцы полиэтилена и полиизобутилена. Электропроводящими наполнителями служили ацетиленовая сажа, алюминиевая пудра ПАК-3, карандашный графит и цинковая пыль. Полиизобутилен выполняет роль высокомолекулярного пластификатора.

Как показали исследования, природа электропроводящего наполнителя оказывает большое влияние на электрические свойства композиций (рисунок 5.16).

Рисунок 5.16 - Зависимость удельного сопротивления композиций с полиэтиленом низкой (а) и высокой (б) плотности от концентрации наполнителей: rS , Ом; rV , Ом·м

Содержание наполнителя, % (масс.)

1 - ацетиленовая сажа; 2 - графит карандашный; 3 - алюминиевая пудра; 4 - цинковая пыль

Большинство наполнителей снижает удельное сопротивление только при концентрациях выше 40 % по массе. Такие высокие концентрации делают полимерные композиции хрупкими и непригодными для конструкционных изделий. Лучшим наполнителем является ацетиленовая сажа. Введение в полимер 20 % ацетиленовой сажи снижает ее удельное сопротивление на 1,0…10 порядков. Увеличение концентрации сажи до 40 % уменьшает сопротивление еще на три порядка.

Наибольший практический интерес из числа исследованных образцов представляют композиции на основе полиэтилена, содержащие от 20 до 40 % ацетиленовой сажи и от 20 до 40 % полиизобутилена. Для изготовления труб была выбрана электропроводящая композиция П2ЭС-5 (ТУ6-05-1135-83). Она хорошо перерабатывается экструзией, обладает высокой морозостойкостью, не набухает в воде, нетоксична и имеет температуру плавления 130 о С. Удельное объёмное и поверхностное сопротивления не превышают 106 ОмЧм и 106 Ом соответственно. Полупроводящие шланги композиции П2ЭС-5 испытывались на руднике «Молибден» Турнызузского горно-обогатительного комбината при пневмозаряжании минных камер и скважин гранулитом АС-8. Высококачественные полупроводящие шланги на основе модифицированной композиции П2ЭС-5 находят широкое применение в горнодобывающей промышленности и являются одним из эффективных средств борьбы со статическим электричеством при пневмозаряжании ВВ.

Кроме применения полупроводящих полиэтиленовых композиций, для транспортировки и хранения ВВ проведены работы по разработке антистатических рецептур на основе полиуретана. Например, из полиуретана создана флегматизирующая упаковка [51] - макрокапсула, позволяющая исключить переход горения во взрыв при возможных аварийных ситуациях.

Известно, что граница перехода взрывных процессов зависит от физико-механических характеристик материала и размеров емкости для хранения продукта. Наиболее эффективным материалом, с точки зрения снижения границы переходных взрывных процессов, является антистатический высокоэластичный полиуретан, позволяющий в сочетании с конструкцией упаковки придать ей флегматизирующие свойства и получить такой же эффект безопасности транспортирования сухого взрывчатого вещества, как и при его увлажнении. Материал упаковки - полиуретановый эластомер марки ГУП-58 ТУ 75 09103-268-90 - обладает достаточными физико-механическими характеристиками, стоек к истиранию, действию озона, кислорода и слабых растворов кислот и щелочей.

В целях обеспечения заданной электропроводности (удельное объёмное электрическое сопротивление 1,5Ч107 ОмЧм) понижения горючести в состав эластомера были введены добавочные компоненты. В результате горючесть полиуретана по сравнению с применяемым в настоящее время древесноволокнистым материалом (в качестве упаковки) снижена примерно в три раза. Конструкция полиуретановой упаковки [51] представляет собой цельнолитой прямоугольный короб, закрепленный на поддоне. Габариты упаковки могут быть различны в зависимости от количества транспортируемого материала и состава ВВ.

Предотвращение электростатических разрядов

При транспортировании сыпучих ВВ наибольшую опасность представляют искровые разряды, возникающие внутри шлангов пневмопровода. Для предупреждения электростатических разрядов внутри диэлектрического шланга пневмопровода прокладывается токопроводящий многожильный луженый провод, соединенный с наконечником шланга и пневмозаряжающим устройством, или применяются электропроводные материалы для магистрали, описанные выше. Более надежно и эффективно использование электропроводных шлангов. Существенно снижается эффект электризации и возникновения электростатических зарядов за счет увлажнения транспортируемого ВВ двумя процентами воды или раствором аммиачной селитры. Это одновременно резко снижает запыленность воздуха в магистрали и на выходе из скважины. Но количество воды не рекомендуется больше 6 %, так как может привести к смыву алюминиевого порошка с поверхности гранул и нарушению однородности заряда ВВ.

Таким образом, для обеспечения электростатической безопасности при пневмозаряжании ВВ используют следующие приемы:

применение полупроводящих (антистатических) шлангов с удельным сопротивлением не более 106ОмЧм (в полупроводящих породах возможно применение шлангов с удельным сопротивлением не более 1010 ОмЧм);

использование токопроводной жилы, размещенной внутри шланга;

ограничение скорости транспортирования ВВ по шлангам;

введение в состав ВВ антистатических добавок, исключающих электризацию;

увлажнение ВВ (до двух процентов воды);

заземление металлического оборудования и металлических соединительных элементов шланга.

Применение перечисленных мероприятий будет способствовать значительному повышению безопасности взрывных работ в горнодобывающей промышленности и других областях, связанных с использованием ВВ.

5.5 Безопасность взрывных работ при наличии блуждающих токов

Одним из опасных явлений при эксплуатации ВВ являются преждевременные взрывы зарядов ВВ, которые могут происходить в результате «ложного» воздействия на электродетонаторы (ЭД) различных посторонних токов, которые объединяют под общим понятием «блуждающие токи» [52]. Источниками возникновения таких токов на различных предприятиях являются: токоведущие рельсовые пути (при применении контактной электровозной откатки), токи утечки из электрических сетей, источники электромагнитных излучений, индуктивное влияние силовых сетей, грозовые разряды и т.п. При электровзрывании в зоне распространения блуждающих токов существует реальная возможность их попадания в электровзрывную сеть, что может повлечь за собой преждевременный взрыв зарядов и соответствующие непредсказуемые последствия.

Исследования многих организаций были посвящены различным мерам защиты электровзрывных сетей от преждевременных взрывов, однако в настоящее время наиболее надежной мерой считается применение специальных электродетонаторов пониженной чувствительности.

При исследовании возможных случаев взрыва электродетонаторов от блуждающих токов и разрядов статического электричества были сделаны следующие выводы [53]:

серийно выпускаемые электродетонаторы способны взрываться как от разрядов статического электричества, так и от блуждающих токов, поскольку имеют высокую чувствительность к току. Однако при закорачивании выводов электродетонаторов (рисунок 5.17 г) опасность непредвиденных взрывов снижается;

для обеспечения безопасности необходимо использовать электродетонаторы с пониженной чувствительностью к току (ЭДК3-1-3Т).

Рисунок 5.17 - Возможные случаи воспламенения ЭД от блуждающих токов и статического электричества. а) сторонний разряд; б) разряд на разомкнутый электрод; в) разряд на замкнутый электрод; г) внутренний разряд на корпус

Рациональным при электровзрывании, по данным профессора М.И. Озерного [52], является применение четырех типов электродетонаторов по чувствительности:

1) электродетонаторы нормальной чувствительности с импульсом воспламенения КН от 0,8 до 3,0 А2Чмс и безопасным током Jб от 0,15 до 0,18 А, предназначенные для применения в условиях, где опасность любых видов блуждающих токов исключается;

2) электродетонаторы пониженной чувствительности, величина КН в пределах от 25 до 50 А2 Чмс, значение Jб в пределах от 0,15 до 0,18 А, предназначенные для применения в условиях, где опасность любых видов блуждающих токов исключается;

3) электродетонаторы пониженной чувствительности, значение КН в пределах от 25 до 50 А2 Чмс, величина Jб составляет 1 А, предназначенные для защиты от всех видов блуждающих токов, кроме грозовых разрядов;

4) электородетонаторы весьма низкой чувствительности с импульсом воспламенения от 1100 до 2500 А2 Чмс и Jб =5А, предназначенные для защиты от грозовых разрядов и ударов молнии.

Определение величин тяговых блуждающих токов

Блуждающие токи от работающих электровозов являются наиболее опасными. Они обнаруживаются на расстоянии до 300 м от работающих в горной выработке электровозов. Максимальные их значения наблюдаются на расстоянии 15 м и составляют J =4 А при напряжении U =14 В. Существенную опасность представляют также токи утечки при неисправной изоляции различных установок переменного тока.

Для определения степени опасности тяговых блуждающих токов рассматривается наиболее опасный случай контакта одного из проводов электровзрывной сети с токоведущим рельсом, а другого - с грунтом непосредственно около работающего электровоза (рисунок 5.18).



Рисунок 5.18 - Схема к определению величины электротяговых блуждающих токов. 1 - генератор напряжения; 2 - электровоз; 3 - заземляющее устройство

Ток через электродетонатор в соответствии с данной схемой определяется по формуле [54]:

, (5.20)

где JМАКС - максимальный ток, потребляемый двигателями электровоза, А;

R S - суммарное сопротивление (R S = R 1 + RВК ), включающее переходные сопротивления мест контакта проводов электровзрывной цепи с рельсом R 1 и с грунтом R 2 , а также сопротивление взрывной сети RВК , Ом;

- расстояние между тяговой подстанцией 1 и возможным местом контакта проводов электровзрывной цепи с рельсом штрека, м;

- расстояние между местом контакта и шпурами (скважинами), м;

,

где RР - сопротивление рельсовой колеи, Ом; RПЕР - переходное сопротивление «рельс-грунт», Ом; k - удельная проводимость грунта, 1/ОмЧм .

На рисунке 5.19 приведены зависимости, по которым можно определить ток JЭД для некоторых конкретных условий [54]. Наиболее рациональным является экспериментальное определение непосредственно тока JЭД с помощью амперметра.

Рисунок 5.19 - Зависимость величины блуждающего тока, проходящего через электродетонатор от переходного сопротивления «рельс-грунт» (а), отношения l 1 /l 2(б)

Оценка опасности тяговых блуждающих токов и токов утечки

Измерение и вычисление тяговых блуждающих токов, проходящих через электродетонатор, для различных условий показывает, что при наиболее опасных (маловероятных) сочетаниях условий на пред-приятии ток через электродетонатор не может превышать более чем в три раза величину тяговых блуждающих токов (JТ), измеренную или вычисленную по формуле 5.17:

В электровзрывную цепь нельзя допустить попадания токов, больших безопасного (JБ ) тока электродетонатора, для этого необходимо обеспечение условия: J МАКС Ј J Б.

Таким образом, критерием опасности тяговых блуждающих токов и токов утечки является условие:

.

Опасность остальных видов блуждающих токов, кроме грозовых разрядов, гораздо меньше, чем опасность тяговых блуждающих токов утечки.

Мероприятия по уменьшению опасности блуждающих токов

Применение электродетонаторов пониженной чувствительности может резко снизить вероятность преждевременного взрыва, но полная безопасность достигается только в сочетании с выполнением ряда профилактических мероприятий, направленных на уменьшение опасности блуждающих токов.

Наиболее важным (и обязательным) мероприятием по уменьшению опасности блуждающих токов является содержание рельсовых путей в соответствующем нормам состоянии. Необходимо постоянно следить за электрическим сопротивлением рельсовых стыков, величина которого должна быть не более сопротивления сплошного рельса длиной 3 м.

Большую роль играет время существования опасной ситуации. Необходимо стремиться к повышению быстродействия защиты, что приведет к уменьшению вероятности взрыва электродетонаторов блуждающими токами. Защитные отключения при аварийных режимах в цепях, а также профилактические мероприятия по предотвращению таких аварийных режимов являются одновременно и способами уменьшения опасности блуждающих токов. При применении электродетонаторов любых типов всегда необходимо стремиться к тому, чтобы провода электровзрывной сети находились возможно дальше от токоведущих рельсовых путей, а также от установок и металлических устройств, которые могут случайно оказаться под напряжением.

Таким образом, применение электродетонаторов нужной чувствительности, а также выполнение профилактических мероприятий сводит к минимуму возможность преждевременного взрыва ЭД блуждающими токами.



Литература

1. Штетблехер, А. А. Пороха и взрывчатые вещества / А. А. Штетблехер. - М.: ОНТИ: Главная редакция химической литературы, 1936. - 610 с.

2. Бесчастнов, М. В. Промышленные взрывы. Оценка и преду-преждение / М. В. Бесчастнов. - М.: Химия, 1991. - 432 с.

3. Андреев, К. К. Теория ВВ / К. К. Андреев, А. Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз, 1960. - 594 с.

4. Боуден, Ф. Л. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах / Ф. Л. Боуден, А. Д. Иоффе. - М.: Изд-во иностранной лит., 1955. - 119 с.

5. Аванесов, Д. С. Практикум по физико-химическим испытаниям взрывчатых веществ / Д. С. Аванесов. - М.: Оборонгиз, 1959. - 165 с.

6. Соловьев, В. С. Некоторые особенности ударно-волнового инициирования взрывчатых веществ / В. С. Соловьев // Физика горения и взрыва. - 2000. - №6. - С. 65-69.

7. Дубнов, Л. В. Промышленные взрывчатые вещества / Л. В. Дубнов, Н. С. Бахаревич, А. И. Романов. - М.: Недра, 1988. - 358 с.

8. Жугенко, Е. И. Смесевое эмульсионное ВВ раздельного заряжания - СИБИРИТ-2500 РЗ / Е. И. Жугенко, В. Б. Иоффе, Б. Н. Кукиб, И. Ю. Сундуков // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - №6. - С. 18-20.

9. Ильин, А. П. Состав конденсированных продуктов детонации смесевых ВВ / А. П. Ильин, А. А. Решетов // Физика горения и взрыва. - 1999. - №4.

10. Зельдович, Я. Б. Теория детонации / Я. Б. Зельдович, А. С. Компанеец. - М.: Гостехиздат, 1955.

11. Козак, Г. Д. Измерение критической толщины детонации взрывчатого раствора в тонком слое / Г. Д. Козак, В. В. Потапов, В. М. Райкова // Физика горения и взрыва. - 1999. - №5. - С. 113_116.

12. Уртьев, П. А. Измерение давления и массовой скорости в твердых телах при динамическом нагружении / П. А. Уртьев, Р. М. Эриксон // Физика горения и взрыва. - 1986. - №5. - С. 113-126.

13. Поплавский, В. А. Иерархия кусков при взрывном дроблении бетонных блоков / В. А. Поплавский // Физика горения и взрыва. - 1998. - №1. - С. 102-105.

14. Гранин, А. С. Безопасность жизнедеятельности / А. С. Гранин, В. Н. Новиков. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002. - 288 с.

15. Садовский, М. А. Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований / М. А. Садовский // Механическое действие взрыва. - М.: ИДГРАН, 1994. - С. 7-102.

16. Бабанин, В. Ф. Перспектива использования энергии направленного взрыва для разделки корпусов судов / В. Ф. Бабанин, О. П. Прокофьев // Судостроение. - 1993. - №1.

17. Рябинин, Ю. Н. О подобии воздушных ударных волн, образуемых зарядами ВВ / Ю. Н. Рябинин, И. И. Тамм // Механическое действие взрыва. - М.: ИДГРАН, 1994. - С. 203-216.

18. Шушко, Л. А. Расчёт интенсивности ударных воздушных волн в ближней зоне действия взрыва / Л. А. Шушко, Ю. А. Каганер // Физика горения и взрыва. - 1998. - №6.

19. Фридман, А. Г. О государственном надзоре в области взрывного дела / А. Г. Фридман // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - №6. - С. 9-11.

20. Федоров, С. В. О возможностях управления кумулятивным эффектом взрыва с помощью электромагнитных воздействий / С. В. Федоров [и др.] // Физика горения и взрыва. - 2000. - №6. - С. 126-136.

21. Андреев, К. К. К вопросу об оценке чувствительности ВВ к механическим воздействиям по результатам испытаний / К. К. Андреев // ДАН СССР. - 1963. - №3. - С. 28-29.

22. Горст, А. Г. Пороха и взрывчатые вещества / А. Г. Горст. - М.: Машиностроение, 1972. - 208 с.

23. Афанасьев, Г. Т. Инициирование твердых ВВ ударом / Г. Т. Афанасьев, В. К. Боболев. - М.: Наука, 1968. - С. 30.

24. Кутузов, Б. Н. Безопасность взрывных работ в промышленности / Б. Н. Кутузов, С. А. Галаджий, С. А. Давыдов и др. - М.: Недра, 1977. - 341 с.

25. Светлов, Б. Я. Теория и свойства промышленных ВВ / Б. Я. Светлов, Н. Е. Яременко. - М.: Недра, 1973. - 208 с.

26. Беляев, А. Ф. Переход горения гетерогенных систем во взрыв / А. Ф. Беляев, А. И. Коротков. - М.: Наука, 1981.

27. Холево, Н. А. Чувствительность ВВ к удару / Н. А. Холево. - М.: Машиностроение, 1974.

28. Логинов, Н. П. Чувствительность твердых ВВ к вибрации / Н. П. Логинов // Физика горения и взрыва. - 1995. - №4. - С. 97-103.

29. Попов, Б. Г. Статическое электричество в химической промышленности / Б. Г. Попов [и др.]. - Л.: Химия, 1977. - 240 с.

30. Леб, Л. А. Статическая электризация / Л. А. Леб. - М.: Госэнергоиздат, 1963. - 108 с.

31. Максимов, Б. К. Статическое электричество в промышленности и защита от него / Б. К. Максимов, А. А. Обух. - М.: Энергия, 1978.

32. Таубкин, И. Г. Об опасности электризации граммонитов при пневмозаряжании шпуров и скважин / И. Г. Таубкин [и др.] // Взрывное дело. - М: Недра, 1978. - №80/37. - С. 221-228.

33. Воробьев, А. А. Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков / А. А. Воробьев, Г. А. Воробьев. - М.: Высшая школа, 1996. - 190 с.

34. Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств - М.: Металлургия, 1988. - 86 с.

35. Правила поведения и действия населения при стихийных бедствиях, авариях и катастрофах. - М.: Воениздат, 1990. - 86 с.

36. ССБТ ГОСТ 12.1044-84 . Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Показатели и методы определения. - М.: Издательство стандартов, 1985.

37. Временные рекомендации по разработке планов локализации аварийных ситуаций на химико-технологических объектах. - М.: Госпроматомнадзор, 1990.

38. Савенко, С. К. Ударные воздушные волны в подземных выработках / С. К. Савенко, А. А. Гурин, П. Р. Малый. - М.: Недра, 1976.

39. Кук, М.А . Наука о промышленных взрывчатых веществах / пер. с англ. под ред. Г.П. Демидюка, Н.С. Бахаревич. - М.: Недра,1980. - 453 с.

40. Вершинин, В. Ю. Анизотропия поля ударных волн несферических источников / В. Ю. Вершинин, Л. В. Дубнов, В. Е. Клаповский, В. Н. Минеев // Физика горения и взрыва. - 1984. - №3. - С. 56-60.

41. Поздняков, З. Г. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания / З. Г. Поздняков, Б. Д. Росси. - 2-е изд., пер. и доп. - М.: Недра, 1977. - 253 с.

42. Цинкер, Л. М. Защита горных выработок от действия ударных воздушных волн / Л. М. Цинкер [и др.] // Безопасность труда в промышленности. - 2001. - №8. - С. 16, 17.

43. Емекеев, В. И. Механизация взрывных работ в горной про-мышленности / В. И. Емекеев. - М.: Недра, 1976. - 180 с.

44. Струна, М. Г. Контроль электростатических явлений при механизированном заряжании скважин / М. Г. Струна, Л. П. Шамрай, В. С. Зимич // Безопасность труда в промышленности. - 1976. - №7. - С. 49, 50.

45. Демидюк, Г. П. Средство механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных ВВ / Г. П. Демидюк, А. Н. Бугайский. - М.: Недра, 1975. - 308 с.

46. ГОСТ 12.1.018-93. Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасность статического электричества. Общие требования. - Введ. 1995-01-01. М.: Издательство стандартов, 1994.

47. Веревкин, В. Н. Закономерности электрообмена и электропереноса в процессах пневмозаряжания и обеспечение электростатической безопасности / В. Н. Веревкин, Б. Г. Попов // Взрывное дело. - М.: Недра, 1985. - №87/44.

48. Бусройд, Р . Течение газа со взвешенными частицами / Р. Бусройд. - М.: МИР, 1975 - 378 с.

49. Черкасов, В. Н. Защита взрывоопасных сооружений от молний и статического электричества / В. Н. Черкасов. - М.: Стройиздат, 1984. - 80 с.

50. Василенок, Ю. И. Защита полимеров от статического электричества / Ю. И. Василенок. - Л.: Химия, 1975. - 188 с.

51. Козлов, Л. Н. Полиуретановая флегматизирующая упаковка для транспортирования сухих взрывчатых материалов / Л. Н. Козлов, С. Ф. Шеврикуко, Л. Н. Иванов // Техника. Технология. Управление. - 1991. - №2. - С. 38-39.

52. Озерной, М. И. Влияние изоляции электровзрывной сети на безопасность в отношении блуждающих токов / М. И. Озерной, И. Е. Грошев, Г. Р. Елизаров // Электробезопасность на горнорудных предприятиях: сб. материалов респ. конфер. - Днепропетровск, 1974. - С. 79_83.

53. Кушнеров, П. И. О взрыве электродетонаторов от зарядов статического электричества и блуждающих токов / П. И. Кушнеров, И. О. Кашуба // Безопасность труда в промышленности. - 1978. - №10. - С. 31-32.

54. Петров, Ю. С. Исследование блуждающих токов на горных предприятиях и безопасных параметров электродетонаторов: дис… канд. техн. наук / Петров Ю. С.; МГИ. - 1971. - 157 с.

Размещено на Allbest.ru

...