Удосконалення буропідривної технології проведення виробок шляхом управління імпульсом вибуху набоїв вибухових речовин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.04 - “Шахтне та підземне будівництво”

Удосконалення буропідривної технології проведення виробок шляхом управління імпульсом вибуху набоїв вибухових речовин

Шкуматов Олександр Миколайович

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі будівництва шахт та підземних споруд Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Антипов Ігор Владиславович, завідувач відділу прогнозу та боротьби з газодинамічними явищами у шахтах Інституту фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк)

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Соболєв Валерій Вікторович, професор кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

кандидат технічних наук, Іщенко Костянтин Степанович, старший науковий співробітник відділу механіки вибуху гірських порід Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа:

Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних геотехнологій.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.В. Солодянкін

Анотація

Шкуматов О.М. Удосконалення буропідривної технології проведення виробок шляхом управління імпульсом вибуху набоїв вибухових речовин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.04 - „Шахтне та підземне будівництво”. - Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2007 р.

У роботі запропоновано нове рішення задачі удосконалення буропідривної технології проведення виробок шляхом управління імпульсом вибуху набоїв вибухових речовин за рахунок використання в шпурі (свердловині) модифікованого рефрактору, який перерозподіляє імпульс вибуху, що розповсюджується вздовж вісі, у радіальний. Встановлені залежності імпульсу вибуху та обсягу вирви від параметрів рефракторів. Обґрунтовані раціональна форма, геометричні розміри та матеріали виготовлення модифікованих інертних та активних рефракторів.

Основні результати роботи знайшли промислове застосування на шахтах Донбасу.

Ключові слова: буропідривні роботи, гірнича виробка, шпуровий набій, імпульс вибуху, параметри рефрактору, вирва викиду, КВШ.

Аннотация

Шкуматов А.Н. Совершенствование буровзрывной технологии проведения выработок путем управления импульсом взрыва зарядов взрывчатых веществ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.04 - „Шахтное и подземное строительство”. - Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2007 г.

Диссертация посвящена вопросу совершенствования буровзрывной технологии проведения выработок путем управления импульсом взрыва зарядов взрывчатых веществ за счет использования в шпуре (скважине) модифицированного рефрактора, перераспределяющего осевой импульс взрыва в радиальный.

Выполненные теоретические исследования процесса взаимодействия ударной волны и продуктов детонации с преградой позволили раскрыть механизм воздействия модифицированного рефрактора на характер перераспределения УВ и ПД, заключающийся в изменении направления их движения из осевого в радиальное, что определило рациональную форму хвостовой части рефрактора и поверхности сопряжения его цилиндрической и хвостовой частей.

Обосновано условие устойчивости рефрактора для обеспечения возможности его применения в горизонтальных и наклонных шпурах, что определило минимальную длину его цилиндрической части.

Впервые получены переводные коэффициенты для корректирования величины отклонения баллистического маятника в зависимости от расстояния до заряда ВВ, длины и массы инертного рефрактора.

Экспериментально установлены и формализованы зависимости осевого импульса взрыва от каждого из геометрических параметров. Это позволило обосновать рациональную форму и геометрические размеры модифицированного рефрактора. При диаметре заряда d_заряда: диаметр цилиндрической части D = d_заряда; общая длина рефрактора Н = (1,67-1,94) d_заряда; длина цилиндрической части h = (0,34-0,40)H; радиус поверхности сопряжения R = (0,28-0,33) d_заряда; хвостовая часть в виде цилиндра диаметром d =(0,33-0,38) d_заряда, оканчивающегося затупленным конусом длиной 0,15H, полууглом при вершине б = 41,4є и радиусом затупления 0,18·d.

Использование модифицированного инертного рефрактора (патент Украины № 21007) приводит к снижению осевого импульса взрыва на 15,5%, увеличению радиального на 12,4% и повышению КПД взрыва на 12%.

Доказана нецелесообразность придания хвостовой части иглообразной формы. При досылке в шпур забойки рефрактор может наколоть прессованное ВВ. При применении порошкообразных или гранулированных взрывчатых веществ иглообразная хвостовая часть создает в заряде ВВ кумулятивное углубление, которое усиливает осевой импульс. Если толщина слоя взрывчатого вещества между хвостовой частью рефрактора и стенкой шпура (скважины) меньше критического значения, детонация затухает, и происходит выгорание ВВ.

Определен технологичный и экономичный материал для изготовления инертного рефрактора - алебастр (гипс).

Для увеличения энергии взрыва предложено применять модифицированные рефракторы из активных (способных экзотермически взрывчато разлагаться или детонировать со скоростью меньшей, чем заряд основного ВВ) материалов. Лучшие результаты показал состав, состоящий из 90% аммиачной селитры () и 10% горючего компонента (эпоксидной смолы ). По сравнению с зарядом без рефрактора осевой импульс взрыва уменьшился на 7,5 Н·с (58,1%), радиальный импульс увеличился на 1,19 Н·с (65,0%), а полезное использование энергии взрыва повысилось на 22%.

Установлена зависимость объема воронки выброса от соотношения масс модифицированного активного рефрактора и заряда. Максимальное увеличение объема воронки выброса наблюдается при соотношении, равном 0,5.

Теоретически рассчитана энергия взрыва заряда с активным рефрактором и без него. Экспериментально определены объемы воронок выброса для конструкций зарядов без рефрактора и с различными рефракторами. Испытания показали, что применение рефрактора увеличивает объем воронки выброса на: 40% (инертный рефрактор сферической формы); 73% (инертный модифицированный рефрактор); 105% (активный модифицированный рефрактор). Применение конструкции заряда с модифицированным активным рефрактором, расположенным в донной части, и инертным - в устье, увеличивает фугасное действие взрыва на 122%.

Разработаны “Руководство по совершенствованию взрывных работ при проведении горных выработок и разделке сопряжений на шахтах ПО Донецкуголь” и “Методика выполнения шахтных экспериментов по изучению эффективности применения донной гидрозабойки и вкладышей шпуровых зарядов”, на которую получено разрешение Госгорпромнадзора МЧС Украины по Донецкой области.

На шахтах “Лидиевка” (ПО Донецкуголь), “Иловайская” (ПО Октябрьуголь) и “Трудовская” (ПО Донуголь) проведены испытания шпуровых зарядов с модифицированными рефракторами. В результате КИШ повысился на 22-26%, длина заходки увеличилась на 40-53%, число шпуров сократилось на 15,4%, что обеспечило повышение скорости проведения выработок на 23%. При этом удельный расход ВВ снизился на 10,9%. Ожидаемый экономический эффект - 847,56 грн/м.

Ключевые слова: буровзрывные работы, горная выработка, шпуровой заряд, импульс взрыва, параметры рефрактора, воронка выброса, КИШ.

Abstract

Shkumatov A.N. Improving of the bore-explosive technology of mining excavations' building by the explosive impulse control for explosive charge. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of candidate of technical sciences on speciality 05.15.04 - “Mining and underground construction” - National Mining University of Ministry of education and science of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2007.

The new decision of the scientific problem to improve the bore-explosive technology of mining excavations' building by the explosive impulse control for explosive charge with an inert or active refractor in the blast (bore) hole is suggested. It is based on ability of a refractor to redistribute the explosive impulse from axial direction to radial.

The explosive impulse and crater volume are determined as functions of refractor parameters. The rational form, geometrical sizes and materials of manufacture for modified inert and active refractors are substantiated.

Blast charges with the refractors of modified construction have been applied in mines of the Donbass region. Results show the increasing of coefficient of the blast hole using on 22-26%, rising the building rate on 23% and reducing of the explosive outlay on 10,9%.

Key words: bore-explosive works, mining excavation, blast charge, explosive impulse, refractor parameter, crater of explosive, coefficient of the blast hole using.

1. Загальна характеристика роботи

гірничий виробка рефрактор буропідривний

Актуальність теми. Аналіз стану технології проведення гірничих виробок на шахтах і рудниках України показує, що основний обсяг приходиться на долю буропідривних робіт. На вугільних шахтах цей показник складає 54,5% при проведенні горизонтальних і похилих гірничих виробок, 99% - при проходженні вертикальних стволів і свердловин великого діаметру. Для розвитку галузі необхідно до 2010 року підготувати 24 нових горизонти і блока, що потребує щорічного вводу до експлуатації не менше 18-20 стволів і збільшення не менше ніж у 2 рази обсягу проведення польових магістральних виробок. Це потребує удосконалення буропідривної технології проведення гірничих виробок.

Проблема підвищення ефективності підривних робіт особливо загострилася з переходом України до ринкової економіки. Удосконалення вибухових речовин (ВР) не призводить до відповідного підвищення ефективності їхнього використання, тому що сучасні ВР з істотно зменшеним вмістом тротилу є менш потужними, мають більш низьку детонаційну здатність, а значна частина енергії вибуху витрачається нераціонально. Тому об'єктивно виникла необхідність у додаткових наукових дослідженнях, спрямованих на удосконалення існуючих і розробку нових засобів управління імпульсом вибуху, що забезпечують поліпшення техніко-економічних показників гірничопрохідницьких робіт. Таким чином, актуальною науково-технічною задачею є управління імпульсом вибуху набоїв вибухових речовин для підвищення ефективності буропідривної технології проведення виробок.

Зв'язок роботи з науковими програмами й темами. Одним з основних наукових напрямків кафедри БШіПС ДонНТУ є розробка ефективних технологічних рішень з удосконалення гірничопрохідницьких робіт. Тема дисертації відповідає напрямку удосконалення БПР. Результати досліджень відображені в звітах науково-дослідних робіт Н-9-95, Н-6-2000, Г-10-2000 (№ держреєстрації 0100 U001071) і Д-4-05, виконавцем яких був автор.

Мета досліджень - удосконалення буропідривної технології проведення виробок за рахунок управління імпульсом вибуху набою ВР.

Для досягнення мети поставлені та вирішені наступні задачі:

- проведення теоретичних досліджень з вивчення взаємодії ударної хвилі (УХ) і продуктів детонації (ПД) з модифікованим рефрактором (пристроєм для скривлення/переломлення УХ і ПД), розташовуваним у шпуровому набої;

- встановлення емпіричних залежностей імпульсу вибуху набою ВР від форм і розмірів рефракторів;

- обґрунтування раціональних параметрів рефракторів, котрі дозволять управляти імпульсом вибуху набою ВР для посилення його фугасної дії і підвищення КВШ;

- проведення лабораторних і промислових випробувань конструкцій набоїв ВР із рефракторами для визначення їхнього впливу на показники буропідривних робіт при проведенні гірничих виробок.

Ідея роботи полягає в використанні в шпурі (свердловині) модифікованих інертних або активних рефракторів для перерозподілу імпульсу вибуху, який впливає на гірські породи, що руйнуються, при буропідривній технології проведення гірничих виробок.

Об'єкт дослідження - процес розподілу енергії вибуху шпурового (свердловинного) набою ВР при проведенні виробок за буропідривною технологією.

Предмет дослідження - параметри рефракторів, що дозволяють максимально підвищити ефективність буропідривних робіт.

Методи досліджень. У роботі використані положення фізики вибуху, що стосуються визначення осьового і радіального імпульсів вибуху і сутності кумулятивного ефекту; положення технічної газодинаміки в частині обтікання тіл різної форми потоком газу з великою надзвуковою швидкістю; а також методи інженерного аналізу, планування експерименту, математичної статистики. Теоретичні розрахунки підтверджені експериментальними дослідженнями в лабораторних і промислових умовах. Для обґрунтування ефективності впровадження нових технічних засобів застосований економічний аналіз.

Наукові положення, які виносяться на захист:

1. Формування конусу Маха в ударній хвилі і продуктах детонації в доній частині шпуру (свердловини) шляхом використання рефрактору модифікованої конструкції знижує дисипативні втрати енергії вибуху, зменшує осьовий на 15,5% і збільшує радіальний імпульс вибуху на 12,4%, посилює його фугасну дію на 73%, що дозволяє підвищити ККД вибуху на 12%.

2. Екзотермічна реакція вибухового розкладення активного модифікованого рефрактору зі швидкістю меншою, ніж швидкість детонації основної ВР, збільшує енергію вибуху на 105% і тривалість впливу продуктів детонації на масив, який руйнується, що дозволяє скоротити на 10,9% питому витрату ВР і підвищити ККД вибуху на 22%.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уточнений механізм управління імпульсом вибуху модифікованим рефрактором, що полягає в зміні руху УХ і ПД із осьового напрямку в радіальний і збільшенні тривалості їхнього впливу на масив, що руйнується.

2. Теоретично обґрунтована нова форма й експериментально визначені геометричні розміри модифікованого рефрактору, що забезпечують управління енергією вибуху набою і підвищення КВШ.

3. Вперше отримані емпіричні залежності імпульсу вибуху набою ВР і обсягу вирви викиду від параметрів і матеріалу виготовлення рефрактора.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджена коректністю застосування методів інженерного аналізу, планування експерименту, математичної статистики, положень фізики вибуху та технічної газодинаміки, достатньою збіжністю результатів експериментальних і розрахункових даних (±18%), а також позитивними результатами дослідно-промисловою перевірки розроблених рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає в розкритті закономірностей обтікання поверхні рефрактору УХ і ПД, а також у встановленні і формалізації залежностей осьового і радіального імпульсів вибуху набою ВР від параметрів інертних і активних рефракторів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в обґрунтуванні раціональної форми і геометричних розмірів рефрактору, а також матеріалу його виготовлення. Використання рефракторів дозволяє збільшити довжину заходки на 15-53%, підвищити швидкість проведення виробки на 23%, скоротити кількість шпурів на 15%, збільшити обсяг вирви викиду на 40-122% і зменшити питому витрату ВР на 10,9-28,6%.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Розроблені і затверджені в встановленому порядку “Руководство по совершенствованию взрывных работ при проведении горных выработок и разделке сопряжений на шахтах ПО Донецкуголь” і “Методика выполнения шахтных экспериментов по изучению эффективности применения донной гидрозабойки и вкладышей шпуровых зарядов”. На застосування рефракторів для шпурових набоїв отримані листи - дозволи № 01/443 від 02.07.01 і № 01/161 від 1.03.02 територіального управління Держгірпромнагляду МНС України по Донецькій області. Промислові дослідження проведені на шахтах “Лідіївка” ВО Донецьквугілля, “Іловайська” ВО Жовтеньвугілля і “Трудівська” ВО Донвугілля.

Особистий внесок автора полягає в постановці задач досліджень, розробці теоретичних основ розрахунку імпульсу вибуху і об'єму вирви викиду при використанні інертних і активних рефракторів, математичній обробці результатів лабораторних і експериментальних досліджень, проведенні промислової перевірки і застосуванні отриманих у дисертації результатів у виробничих умовах.

Апробація роботи. Основні положення дисертації та результати її окремих етапів були повідомлені, обговорені і схвалені на II, III, V, XI міжнародних конференціях “Машиностроение и техносфера XXI века” (1995, 1996, 1998, 2004 р.р.) у м. Севастополі, на міжнародних науково - технічних конференціях “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (2005, 2006 р.р.) у м. Кривий Ріг, на міжнародних науково - технічних конференціях молодих учених, аспірантів і студентів “Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений” (2001, 2002, 2003, 2006 рр.) м. Донецьк, на міжнародній конференції “Форум гірників -2006”, м. Дніпропетровськ.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 12 друкованих роботах, з яких 5 - у фахових наукових виданнях, 1 патент України, 6 - у збірниках конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел з 106 найменувань на 11 сторінках і 6 додатків на 50 сторінках. Робота викладена на 118 машинописних сторінках, містить 54 рисунка, 16 таблиць. Загальний обсяг - 179 сторінок.

2. Основний зміст роботи

Перший розділ присвячений аналізу тенденцій рішення питань удосконалення буропідривної технології проведення виробок шляхом управління імпульсом вибуху набою ВР.

Розглянуті літературні й інші джерела розділені на дві групи. Аналіз першої дозволяє зробити висновок про те, що в даний час немає єдиної точки зору на фізичні процеси, що протікають у середовищі, що руйнується, при вибуху набою ВР. Однак автори Н.В. Мельников, Г.І. Покровський, А.Н. Ханукаєв, М.Ф. Друкований, Ф.І. Кучерявий, В.М. Комір та інші сходяться в думці, що зниження інтенсивності впливу вибуху набою ВР на навколишнє середовище за рахунок збільшення його тривалості призводить до того, що порода в прилеглій до набою зоні не переподрібнюється, і, унаслідок цього, скорочуються втрати енергії, що витрачається на розрив міжмолекулярних зв'язків.

Узагальнюючи зміст робіт другої групи, слід зазначити, що питаннями управління імпульсом вибуху займаються Е.І. Єфремов, О.О. Вовк, С.Ф. Власов, В.М. Родіонов, О.М. Шашенко, В.В. Соболєв, І.О. Садовенко, В.В. Воробйов, В.Г. Кравець, В.Д. Петренко, Р.С. Крисін, В.С. Прокопенко, М.Р. Шевцов, К.С. Іщенко та інші, а також дослідницькі колективи провідних гірничо-видобувних країн. Ними розроблені технічні рішення, спрямовані на збільшення тривалості впливу УХ і ПД на середовище, що руйнується. Випробування у виробничих умовах таких наукових розробок, як набій з повітряними порожнинами або заповненими повітрям чи водою кільцевими зазорами; застосування в доній частині набою пристрою для концентрації ударних хвиль; різні типи набійки, що замикають ПД у набійній камері; застосування багатокомпонентних типів ВР підтвердило правильність виконуваних досліджень. Так у конструкції набоїв з різнокомпонентних ВР передбачається для створення замикаючого ефекту першими від гирла шпуру розташовувати ВР, що володіють більш низькою швидкістю детонації. На рішення цієї задачі спрямоване і застосування набійки з АС-ДП. Однак при цьому перерозподіляється тільки частина енергії вибуху, що міститься у відображеній хвилі. Осьовий же імпульс вибуху витрачається на марний струс масиву. Невирішеною залишається задача перерозподілу осьового імпульсу вибуху в радіальний, що дозволило б руйнувати масив строго по лінії, що поєднує дно шпурів, скоротивши до мінімуму глибину “склянок”. Загальним для розглянутих джерел є встановлення впливу конструкції набою ВР на розподіл енергії вибуху. Однак невирішеною залишається задача більш повного (близького до 90є) осесиметричного перерозподілу імпульсу в радіальний. Тому істотне значення в теоретичному і практичному плані набуває обґрунтування раціональних форм і розмірів технічних пристроїв управління імпульсом вибуху, підбір матеріалів, що забезпечують технологічність і економічність їхнього виготовлення, а також конструкцій шпурових набоїв ВР із їх застосуванням для підвищення швидкості проведення гірничих виробок.

В другому розділі зроблене теоретичне обґрунтування параметрів рефракторів. Відзначено, що при розміщенні в доній частині набійної камери додаткового пристрою, призначеного для управління енергією вибуху, виникає повітряна порожнина, у якій поширюється ударна хвиля, і зроблений розрахунок її параметрів. Отримані дані показують, що тиск на фронті падаючої хвилі складає порядку (2-3)·10⁷ Н/м², у залежності від типу ВР. Досягши дна набійної камери, ударна хвиля, що падає, відбивається, при цьому на її фронті тиск зростає до 1,7·10⁸ Н/м² і більше. Це значно перевищує міцність породи, призводить до її переподрібнення і, отже, додатковим витратам енергії на розрив міжмолекулярних зв'язків. Посилення тиску на фронті УХ у процесі відбивання є основним чинником, що призводить до дисипативних втрат енергії на марний струс масиву. Крім того, у масиві перед вибоєм виникає система тріщин, що надалі погіршує показники підривних робіт.

Управляти характером вибухового руйнування масиву можна зміною величини і напрямку імпульсу вибуху. Існуючі методи розрахунку дозволяють досить точно визначити повний імпульс вибуху ВР, що приходить у будь-яку точку набійної камери, у залежності від щільності набою ВР, швидкості його детонації і довжини:

(1)

де - маса набою, кг; - швидкість детонації, м/с.

Повний імпульс можна розділити на дві складові:

 (2)

де - радіальний імпульс (що діє в перпендикулярному до осі циліндричного набою напрямку), Н·с; - осьовий (що діє паралельно осі набою), Н·с.

Однак вони не враховують застосування в конструкції набою пристроїв, які здійснюють на імпульс вибуху управляючий вплив, що полягає в зміні його напрямку з осьового в радіальний.

Дослідження механізму обтікання ударною хвилею і продуктами детонації рефрактору, що є складеним з тіл обертання кривих другого порядку, проведено з використанням положень технічної газодинаміки. З огляду на те, що тиск на перешкоду, що здійснюється УХ і ПД, які рухаються з великою надзвуковою швидкістю, залежить від форми її головної частини і площі перетину, що контактує з цим потоком, визначена раціональна форма модифікованого рефрактору.

Заокруглення головної частини сприяє відриву потоку від поверхні, що призводить до зменшення лобового опору. Коефіцієнт опору с_х дорівнює 0,6 для конічної і 0,92 для сферичної поверхні. Невелике затуплення конусу призводить до мінімізації коефіцієнта опору, значення якого стає приблизно на 10% меншим у порівнянні з гострим конусом. Значення с_х також залежить від кута розчину при вістрі конусу. З огляду на вищевикладене, визначена раціо-нальна форма хвостової частини рефрактору - затуплений конус, що сполучається з циліндром малого діаметру d, який знаходиться в “аеродинамічній тіні”. Для визначення параметрів затуплення хвостової частини рефрактору був побудований конус Маха (рис. 1). Його довжина визначається виразом

, (3)

де - напівкут розчину.

Еквівалентний йому затуплений конус має довжину l, яка визначається зі співвідношення . Для додання рефрактору довжиною Н сталості при його застосуванні в горизонтальних і похилих шпурах необхідна наявність циліндричної частини діаметром D, що дорівнює діаметру набою ВР. Однак, її довжина h повинна бути мінімальною, щоб не залишалися “склянки”. Висота криволінійної частини (Н-h) повинна бути достатньою для розвороту УХ і ПД. Оскільки рефрактор однорідний, досить, щоб його центр ваги розташовувався у циліндричній частині. Отже, маса m₁ циліндричної частина повинна бути більшою або дорівнюватися масі m₂ криволінійної частини, тобто V₁·с₁ ? V₂·с₂. Оскільки щільності с₁ і с₂ є рівними, рефрактор буде сталим при

, (4)

де .

Істотний вплив на перерозподіл осьового імпульсу в радіальний здійснює форма сполучення хвостової і циліндричної частин рефрактору. Поверхня сполучення може бути утворена дугами окружності, лемніскатами, параболами й іншими кривими другого порядку. Необхідною умовою є плавність профілю, що забезпечує розворот потоку ПД, що рухається з дозвуковою швидкістю (М<1) усередині конусу Маха. Відбиті багаторазово від стінок шпуру продукти вибуху, співударяючись з криволінійною поверхнею сполучення хвостової і циліндричної частин рефрактору, також перерозподіляються в радіальному напрямку від набою. Найбільш повно цій вимозі відповідає дуга окружності радіусом R.

При його застосуванні робота розширення, яку виконують продукти вибуху на створення вирви викиду,

(5)

де - початковий тиск продуктів вибуху, Па; - початковий і кінцевий обсяги ПД, м³; г=1,2ч3 - показник політропи розширення ПД; - щільність ВР, кг/м³; - швидкість детонації ВР, м/с; , - обсяг ВР, м³; - вільний обсяг, м³.

Для збільшення енергії вибуху запропоновано застосовувати рефрактори з активних (здатних вибухово розкладатися або детонувати зі швидкістю меншою, ніж детонація основної ВР) матеріалів. Їхнім основним компонентом є аміачна селітра (АС), що має позитивний кисневий баланс (к_б =+20%). Теоретичні розрахунки показали, що при цьому в порівнянні з застосуванням набою звичайної конструкції фугасна дія вибуху збільшується за рахунок виділення додаткової енергії і газів вибуху.

Теплота вибуху набою ВР з активним рефрактором визначається виразом

(6)

де - питома теплота вибуху ВР, кДж/кг; - маса набою ВР, кг; - питома теплота вибуху рефрактору, кДж/кг; - маса рефрактору, кг.

У зв'язку з тим, що АС має великий критичний діаметр детонації (d_кр ? 120 мм), її не можна в чистому виді використовувати в шпурових набоях (d_ш ? 75 мм) щоб уникнути відмовлень. Тому до складу активного рефрактору додані пальні компоненти, які знижують d_кр до значення, рівного d.

Відомо, що АС з пальними добавками детонує (вибухово розкладається) зі швидкістю, більш низькою, ніж набій ВР. Це дає додаткову можливість управляти імпульсом вибуху за рахунок перерозподілу його з осьового напрямку в радіальний при зіткненні струменів ПД, що рухаються з різними швидкостями.

У третьому розділі описані результати лабораторних досліджень, проведених з метою уточнення раціональних параметрів рефракторів і конструкцій набоїв з їхнім застосуванням. Результати експериментів наочно показали можливість керування дією вибуху набою ВР геометрією і матеріалом виготовлення рефрактору.

Лабораторні дослідження проводилися у вибухових камерах ДонНТУ, МакНДІ і на полігоні шахти “Іловайська” ВО Жовтеньвугілля. При проведенні експериментів для визначення осьового імпульсу вибуху набою ВР використаний балістичний маятник. Його відхилення, у мм, прийнято як міру оцінки результатів вибуху. Для визначення радіального імпульсу вибуху використані циліндри з рафінованого свинцю діаметром 40 мм. Для проведення досліджень розроблені і затверджені “Методика выполнения лабораторных экспериментов по изучению эффективности применения вкладышей шпуровых зарядов” і “Руководство по совершенствованию взрывных робот при проведении горных выработок и разделке сопряжений на шахтах ПО Донецкуголь”. Також використана міжвідомча методика МакНДІ “Метод определения бризантности промышленных взрывчатых веществ по импульсу взрыва”. Взаємозв'язок значення імпульсу з відхиленням балістичного маятника має вигляд з осіданням свинцевого циліндра - Коефіцієнт К пропорційності імпульса вибуху осіданню свинцевого циліндра дорівнює 0,11 для ВР бризантністю до 10 мм и 0,10 - при бризантності більш 10 мм.

Були також проведені експериментальні дослідження з підбору компонентів складу для виготовлення інертних рефракторів. Для їхнього виробництва виготовлені матриці. Виконано дослідження інертних рефракторів на міцність до повного руйнування. Для подальших досліджень рекомендовано виготовляти модифіковані інертні рефрактори з алебастру (гіпсу).

У результаті випробувань отримані фактичні значення відхилень балістичного маятника, l₁, на які крім досліджуваних параметрів робили вплив й умови проведення експерименту: тип застосовуваної ВР, розташування ВР щодо носка маятника, маса рефрактору й інші. Для встановлення залежності відхилення маятника від досліджуваного конкретного параметра необхідно виключити або компенсувати розходження інших параметрів порівнюваних експериментів. З цією метою введені поправочні коефіцієнти.

Коефіцієнт k_ВР приведення результатів експериментів із застосуванням амоніта Т-19 (Г-5) до еталонної ВР (амоніту №6 ЗВ). Його величина дорівнює 1,072. Поправочний коефіцієнт k_рст для випадків, коли набій ВР розташований на деякій відстані Н_рст від рефрактору. Його значення дорівнює

. (7)

Поправочний коефіцієнт k_H на довжину рефрактору, що обчислюється за формулою

Поправочний коефіцієнт на масу: k_м = (1 + ?m·0,00114).

У подальших дослідженнях використовувалася величина приведеного відхилення балістичного маятника, l_{1призвед}, яка дорівнює добутку фактичного значення на поправочні коефіцієнти.

Для встановлення впливу довжини рефрактору на осьовий імпульс вибуху проведені експерименти в набійній камері, що імітує шпур. Порівняння експериментальних залежностей без застосування рефрактору та з ним дозволило виділити три зони. В інтервалі від 40 мм до 100 мм рефрактор змінює напрямок руху УХ і ПД з осьового напрямку в радіальний. Це здійснює зберігаючий вплив на маятник. При довжині рефрактору менше 40 мм і більше 100 мм його застосування неефективне, тому що викликає більше відхилення маятника. Це пояснюється тим, що в першому випадку ПД не встигають змінити напрямок свого руху і додають рефракторові додатковий імпульс. В другому випадку рефрактор виконує роль бійчика. Переданий ним осьовий імпульс перевищує значення осьового імпульсу, переданого ПД, що розсіюються в просторі і здійснюють менший вплив.

За сукупністю експериментальних даних побудовані регресійні рівняння, що з досить високою вірогідністю описують вплив параметрів рефрактору на величину осьового імпульсу вибуху набою ВР.

Залежність імпульсу I від довжини Н інертного рефрактору описується показовою функцією I = 110,56 (H+10) ^-0,51 при вибуху без набійної камери і - при вибуху в набійній камері. Це свідчить, що величина осьового імпульсу в другому випадку збільшується у 3,2 рази. Залежність I від радіусу R поверхні сполучення хвостової і циліндричної частин: Залежність I від відносної довжини циліндричної частини (h/H): Залежність I від відносного діаметру хвостової частини (d/D):

Отримані залежності дозволили встановити діапазони зміни геометричних розмірів інертного рефрактору, що дають мінімальне значення осьового імпульсу вибуху набою ВР. У ході подальших досліджень експериментально підтверджена раціональна форма й уточнені геометричні розміри модифікованого інертного рефрактору. При діаметрі шпуру від 36 мм до 42 мм загальна довжина дорівнює 65 мм, довжина циліндричної частини - 20 мм, радіус поверхні сполучення - 12 мм, хвостова частина діаметром 14 мм, із затупленим конусом довжиною 9,5 мм, напівкутом при вістрі б = 41,4є і радіусом затуплення 2,5 мм.

При визначенні впливу рефрактору на радіальний імпульс вибуху набоїв ВР були проведені випробування на балістичному маятнику і на свинцевих циліндрах. Результати випробувань наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Перерозподіл імпульсу вибуху модифікованим інертним рефрактором

Конструкція набою	Імпульс вибуху, Н·с	Зміна імпульсу вибуху
	Осьовий	радіальний	повний	осьового	радіального
				Н·с	%	Н·с	%
Без рефрактору	12,9	16,9	21,3	0	0	0	0
З модифікованим інертним рефрактором	10,9	19,0	21,9	-2,0	-15,5	+2,1	+12,4

Аналіз результатів показує, що повний імпульс вибуху залишається постійним (різниця в 0,6 Н·с або в 2,8% виникла за рахунок точності вимірів). Осьовий імпульс при цьому зменшився з 12,9 Н·с до 10,9 Н·с (на 15,5%), а радіальний - збільшився з 16,9 Н·с до 19,0 Н·с (на 12,4%).

Осідання свинцевого циліндру, у мм, і зміна довжини металевої труби, у якій здійснювався вибух, є оцінкою його результатів. При підриванні в набійній камері радіальний імпульс у порівнянні з набоєм без рефрактору збільшився більш суттєво (на 39,3%).

Для уточнення маси активних рефракторів проведені випробування на балістичному маятнику і на свинцевих циліндрах. Аналіз результатів показав, що мінімальне значення осьового імпульсу вибуху, яке дорівнює 5,4 Н·с, досягається при застосуванні модифікованого активного рефрактору масою, яка дорівнює масі набою ВР, тобто 50 г. При більшій масі рефрактору відбувається його неповна детонація, що може привести до вигоряння.

Таким чином застосування модифікованого рефрактору з активного матеріалу збільшує радіальний імпульс вибуху на 65% (у порівнянні з конструкцією без рефрактору) і на 25,7% (у порівнянні з конструкцією з модифікованим інертним рефрактором). Довжина розірваної частини набійної камери, що свідчить про ККД енергії вибуху, збільшується, відповідно, на 33 мм (22%) і 15 мм (10%).

При експериментальних дослідженнях впливу рефракторів на фугасну дію вибуху, яка може бути характеризована обсягом вирви викиду, були випробувані п'ять конструкцій набоїв:

а) без рефрактору;

б) з інертним рефрактором сферичної форми в доній частині шпуру;

в) з модифікованим інертним рефрактором в доній частині шпуру;

г) з модифікованим активним рефрактором в доній частині шпуру;

д) з модифікованим активним рефрактором, розташованим у доній частині шпуру, і інертним - що прилягає до набою ВР із боку гирла.

За результатами експериментів отримана залежність обсягу вирви викиду від співвідношення М_о мас модифікованого активного рефрактору і набою ВР:

(8)

де співвідношення .

Аналіз залежності показує, що максимальний обсяг вирви викиду отриманий при співвідношенні мас модифікованого активного рефрактору і набою ВР, яке дорівнює 0,5. Застосування набою масою 100 г з модифікованим активним рефрактором масою 50 г (конструкція г) забезпечило його повну детонацію, що супроводжувалося виділенням додаткової енергії і газів вибуху, а також збільшенням його фугасної дії. При подальшому збільшенні маси рефрактору при постійній масі ВР обсяг вирви викиду зменшується в зв'язку з неповною детонацією рефрактору. При цьому частина енергії вибуху втрачається на його руйнування. Максимальний обсяг вирва має при застосуванні комбінованого набою (конструкція д). В цьому випадку фугасна дія вибуху збільшується ще на 17% за рахунок того, що інертний рефрактор управляє рухом хвилі відбиття.

Проведені експериментальні дослідження дозволили уточнити геометричні розміри й масу модифікованих рефракторів, встановити вплив конструкції набою з рефракторами на обсяг вирви викиду і підтвердили підвищення ККД вибуху при їхньому застосуванні.

У четвертому розділі описана апробація у виробничих умовах результатів теоретичних і лабораторних досліджень. Розроблені і затверджені “Руководство по совершенствованию взрывных работ при проведении горных выработок и разделке сопряжений на шахтах ПО Донецкуголь” і “Методика выполнения шахтных экспериментов по изучению эффективности применения донной гидрозабойки и вкладышей шпуровых зарядов”. На застосування рефракторів для шпурових набоїв отримані листи - дозволи № 01/443 від 02.07.01 і № 01/161 від 1.03.02 територіального управління Держгірпромнагляду МНС України по Донецькій області.

Промислові випробування проведені на шахтах “Лідіївка” ВО Донецьквугілля, “Іловайська” ВО Жовтеньвугілля і “Трудівська” ВО Донвугілля.

Застосування модифікованих рефракторів дозволило збільшити довжину шпурів з 1,30 м до 1,55 м (на 19,2%). Відповідно довжина заходки зросла з 1,00 м до 1,53 м (на 53,0%), швидкість проведення підвищилась на 23%. КВШ збільшився з 0,77 до 0,99 (на 22%). Питома витрата ВР знизилася з 1,65 кг/м³ до 1,47 кг/м³ (на 10,9%), а кількість шпурів скоротилася з 78 до 66 (на 15,4%).

Висновки

Дисертація є завершеною науково - дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей обтікання поверхні рефрактору УХ і ПД і формалізації залежностей осьового і радіального імпульсів вибуху набою ВР від параметрів рефракторів вирішена актуальна науково - технічна задача удосконалення буропідривної технології проведення виробок, що дозволяє підвищити її ефективність.

Основні наукові й практичні результати, які отримані під час виконання роботи, полягають у наступному:

1. Теоретично обґрунтована форма модифікованого рефрактора, що забезпечує формування конусу Маха в ударній хвилі та продуктах детонації у доній частині шпуру (свердловини).

2. За сукупністю експериментальних даних побудовані регресійні рівняння, що описують вплив параметрів рефрактору на величину осьового імпульсу вибуху набою ВР, що дозволило встановити раціональні інтервали відносних розмірів модифікованого рефрактору. При діаметрі набою d_набою: діаметр циліндричної частини D = d_набою; загальна довжина рефрактору Н = (1,67-1,94) d_набою; довжина циліндричної частини h = (0,34-0,40) H; радіус поверхні сполучення R = (0,28-0,33) d_набою; хвостова частина у виді циліндра діаметром d = (0,33-0,38) d_набою, що закінчується затупленим конусом довжиною 0,15H, напівкутом при вістрі б = 41,4є і радіусом затуплення 0,18 d.

3. Встановлено, що застосування модифікованого інертного рефрактору з алебастру (гіпсу) призводить до зниження осьового імпульсу вибуху на 15,5%, збільшенню радіального - на 12,4%, посиленню фугасної дії вибуху на 73% і підвищенню ККД вибуху на 12%.

4. Модифікований активний рефрактор, який вміщує 90% і 10% пального компоненту (епоксидної смоли ), масою, яка дорівнює 0,5 маси набою, знижує осьовий імпульс вибуху на 58,1%, збільшує радіальний на 65,0%, посилює фугасну дію вибуху на 105%, а корисне використання енергії вибуху - на 22%.

5. Розроблена конструкція набою, що містить модифіковані рефрактори: активний - в доній частині шпуру (свердловини), інертний - з боку гирла. Її застосування посилює фугасну дію вибуху на 122% у порівнянні зі звичайним набоєм ВР.

6. Розроблене та затверджене “Руководство по совершенствованию взрывных работ при проведении горных выработок и разделке сопряжений на шахтах ПО Донецкуголь”, що описує механізм дії та порядок застосування рефракторів.

Застосування конструкцій шпурових набоїв з модифікованими рефракторами дозволило підвищити КВШ на 22-26%, збільшити довжину заходки на 40-53%, скоротити число шпурів на 15,4%, що забезпечує підвищення швидкості проведення гірничих виробок на 23%. При цьому питома витрата ВР знизилася на 10,9%. Очікуваний економічний ефект - 847,56 грн/м.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Шевцов В.А., Шкуматов А.Н., Антипов И.В., Сирачев И.Ж., Проскуренко Д.А. Интенсификация буровзрывных работ в период реконструкции шахты // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2001. - Вып. 36. - С. 57-60.

2. Ализаев Г.Т., Шевцов В.А., Литвинов В.И., Шкуматов А.Н., Лабинский К.Н. Разработка параметров новых технических решений при производстве взрывных работ // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. - Донецьк: ДонНТУ, 2002. - № 2. - С. 71-74.

3. Шкуматов А.Н. Усовершенствованная конструкция шпуровых зарядов при разделке сопряжений горных выработок // Вісник Криворізького технічного університету. - Кривий Ріг: КТУ, 2005. - № 9. - С. 37-40.

4. Шкуматов А.Н. Обоснование параметров технических средств формирования импульса взрыва при строительстве горных выработок // Вісник Криворізького технічного університету. - Кривий Ріг: КТУ, 2006. - Вип. 14. - С. 41-45.

5. Шкуматов А.Н. Управление импульсом взрыва // Науковий вісник Національного гірничого університету. - Д.: НГУ, 2006. - № 12. - С. 34-41.

6. Пат. 21007 Україна МПК⁶ E21F 5/00 Забивка для шпурів і свердловин / С.О. Калякін, О.М. Шкуматов (Україна) - № u 200609978; замовл.18.09.06; надрук. 15.02.07. - Бюл. № 2.

7. Гудзь А.Г., Шкуматов А.Н. Горное машиностроение - основа прогрессивной технологии буровзрывных работ // Тезисы докл. МНТК “Прогрессивная техника и технология машиностроения”. - Донецк: ДонГТУ, 1995. - С. 65-66.

8. Антипов И.В., Шкуматов А.Н. Моделирование производственных процессов методом группового учета аргументов // Проблемы экологии. - Донецк: ДонГТУ, 2000. - № 1. - С. 5-9.

9. Шкуматов А.Н., Ромащенко Е.А. Совершенствование буровзрывных работ на шахте “Трудовская” ГХК “Донуголь” // Современные технологии строительства шахт и подземных сооружений. - Донецк: ООО “Норд Компьютер”, 2002. - С. 24.

10. Shevtsov V., Shkumatov A., Labinskiy K., Moroz O., Proskurenko D. New technical solution in conducting mining excavations // Transactions of the VSB - Technical Uneversity Ostrava Mining and Geological Series.-2003.-№ 1.-С. 137-140.

11. Шкуматов А.Н., Лобко П.В., Телятников С.А., Ткачук С.А., В. Кмент. Совершенствование взрывных работ на шахте “Лидиевка” ПО Донецкуголь // Современные технологии строительства шахт и подземных сооружений. - Донецк: “Норд - Пресс”, 2003. - С. 16.

12. Шкуматов А.Н., Худечек В., Мороз О.К., Скоробагатая А.Ю. Обоснование параметров шпурового вкладыша для обеспечения его устойчивости // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. - Донецк: “Норд - Пресс”, 2006. - №12. - С. 6-8.

Размещено на Allbest.ru

...