Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный университет геосистем и технологий»

(СГУГиТ)

Институт дистанционного обучения

Кафедра инженерной геодезии и маркшейдерского дела

РЕФЕРАТ

на тему:

Экспресс-метод определения работоспособности эмульсионных взрывчатых веществ

Ховшабо С.С.

Новосибирск-2020

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1.ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЭВВ
• 2.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

• Взрывное разрушение крепких горных пород остается одними з главных производственных процессов на подземных рудниках и карьерах. На совершенствование средств и технологии буровзрывных работ направлены усилия специалистов горного дела [1-4].
• Приоритетное направление при производстве взрывных работ на горных предприятиях в нашей стране и за рубежом имеет применение эмульсионных взрывчатых веществ, в том числе и в обводненных породных массивах [5]. Однако при сенсибилизации эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) газовыми порами происходит увеличение плотности взрывчатого вещества с увеличением глубины скважины, что снижает надежность их детонации и при определенных условиях приводит к отказу. Поэтому необходимо знать величину усадки скважинного заряда газосенсибилизированного ЭВВ под действием собственного веса и изменения температуры ЭВВ после помещения его в скважину.
• Кроме того, для использования ЭВВ в подземных условиях нерешена проблема механизированного заряжания вееров восстающих скважин с использованием предохранительных ЭВВ 3-го класса.
• На горных предприятиях в труднодоступных и малообжитых районах Полярного Урала, Восточной Сибири и Дальнего Востока в силу ряда технологических, квалификационных и логистических сложностей трудно обеспечить постоянство качества изготавливаемых ЭВВ на местах применения. Ввиду значительных критических и предельных диаметров современных смесевых и водосодержащих ВВ, изготавливаемых на местах применения, прямое измерение теплоты взрыва невозможно [5-9]. Поэтому необходимо разработать экспресс-метод определения теплоты взрыва ЭВВ на месте производства взрывных работ.

1. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ЭВВ

Для надежного обеспечения качества дробления горных пород взрывом [10] на практике рекомендуется применение ЭВВ, сенсибилизированных стеклянными или пластиковыми микросферами, но дороговизна этих сенсибилизаторов существенно сказывается на экономических показателях. Для одновременного снижения затрат на взрывную подготовку горной массы и решения выше указанных технических и экономических проблем, присущих удлиненным зарядам с ЭВВ, возможно в качестве сенсибилизатора ЭВВ использовать гранулы вспененного полистирола.

Применение ЭВВ, сенсибилизированных таким способом, позволяет изменять плотность ЭВВ (а значит, и объемную концентрацию энергии) в существенно более широком диапазоне - от 300 до1150 кг/м3. Причем детонационные свойства данного ЭВВ практически не зависят от гидростатического давления воды в скважине. Повышение эффективности взрывной подготовки горной массы на обводненных карьерах могут быть достигнуты путем придания необходимых характеристик ЭВВ, сенсибилизированному пенополистиролом. Кроме того, низкая плотность заряжания и низкая объемная концентрация энергии позволяют применять такие ВВ для механизированного заряжания контурных скважин при постановке бортов карьеров в конечное положение (заоткоска).

С целью оценки эффективности применения эмульпоров по сравнению с эмуланом ПВВ-А70, эмулитами и порэмитом (ЭВВс химической газогенерацией) при отбойке обводненных (30 %обводненности), легко- и средневзрываемых пород (песчаников, алевролитов и аргиллитов углевмещающей толщи) были проведены опытно-промышленные взрывы на АО «Междуречье». Бурение взрывных скважин осуществляли сеткой в диапазоне от 7Ч7до 8Ч8 м, диаметр скважин принят равным от 210 до 250 мм.

Взрываемые блоки делили на две части. Одну часть блоков взрывали эмульпорами, а вторую - посредством эмулана ПВВ-А-70.Заряжание скважин вели имеющимися смесительно-зарядными машинами (типа ТСЗМ-11 и МЗУ-15-4К) по существующей технологии. Поверхностную сеть монтировали по диагональной схеме с замедлением (42Ч67 мс) поверхностными СИНВ-П.

Критериями оценки результатов опытно-промышленных взрывов были качество дробления взорванной горной массы, проработка подошвы уступов, ширина основного развала. При этом качество дробления оценивали по производительности экскаваторов и вместимости отбитых пород в кузовы транспортных средств.

В настоящее время при добыче полезных ископаемых широко применяют газосенсибилизированные эмульсионные ВВ. При использовании данных ВВ как на стадии проектирования, таки на стадии практического применения необходимо знать высоту колонки заряда в момент инициирования заряда [11]. В работе[12] приведены результаты расчетов величины усадки скважинного заряда газосенсибилизированного ЭВВ под действием собственного веса, внешнего давления и изменения температуры ЭВВ после помещения его в скважину.

В мировой практике взрывных работ в подземных выработках широко используются эмульсионные взрывчатые вещества [13]. Однако полностью механизированное изготовление на месте применения в процессе заряжания восстающих взрывных скважин, горизонтальных и наклонных шпуров предохранительным (3-го класса)эмульсионным ВВ в условиях подземных горных выработок на предприятиях АК «АЛРОСА» (рудник «Удачный») применялось впервые в мировой практике. Использовалось НПГМ-ПР - промышленное эмульсионное взрывчатое вещество (ПЭВВ) 3-го класса (по условиям применения, согласно п. 256 и Приложения № 3) [14].

Задача придания ПЭВВ НПГМ-ПР предохранительных свойств3-го класса решена введением в состав ЭВВ кристаллического хлорида аммония (NH₄C_l) крупностью кристаллов 0,1-0,3 мм(порошок) в количестве 10-15 % (масс.) по отношению к эмульсии. Проведенные испытания показали эффективность указанной добавки и вводимого в ее состав количества. ПЭВВ НПГМ-ПР изготавливается на местах применения при температурном диапазоне окружающей среды от +2 до +26 °C на земной поверхности и в подземных выработках опасных по газу (до 3-го класса предохранительной включительно), по породам и рудам с содержанием сульфидов до 35 % (масс).

Экспериментальная оценка разрушительных свойств ЭВВ вышла за рамки традиционных лабораторий и переместилась на полигоны и (или) непосредственно на производство(опытно-промышленные взрывы). Применение экспериментального метода по измерению или оценке энергии Гарнея (метод«тест-цилиндра» [15, 16]) возможно только в условиях стационарного, хорошо оборудованного полигона. Применение метода воронкообразования при тест взрыве в горной породе или в песчаной ванне в случае с широко распространенными наливными ЭВВ имеет свои сложности. Применение подводных взрыв-тестов требует очень большого водоема и специальной измерительной аппаратуры и не обеспечивает необходимую степень расширения взрывных газов [15, 16].

Определенный интерес для экспресс-тестов представляет методика ВостНИИ по обжатию стандартного свинцового крешера Гесса через массивную наковальню и воздушный промежуток, показавшая свою работоспособность в ряде экспериментов[17, 18]. Однако ограничение массы ВВ при тест-взрыве величиной 1 кг делает данную методику малопригодной при оценке работоспособности ВВ с критическим диаметром более 60 мм.

В настоящей работе рассматривается метод оперативной оценки полноты тепловыделения при взрыве промышленных ВВ местного производства, которые осуществимы в условиях даже, удаленных и труднодоступных горных предприятий.

Коэффициент полноты з тепловыделения Q_V при взрыве оценивается по формуле

з = Q_V / Q_T,

эмульсионное взрывчатое вещество порода

где Q_т- расчетная (теоретическая) удельная теплота взрыва; определяется из уравнения разложения вещества ВВ, которое получают методом Г.А. Авакяна[19] или в соответствии с принципом Бринкли-Вильсона [17](дают близкие значения Qт).

Таким образом, величина полноты тепловыделения можетбыть оценена, если известны плотность, скорость детонации и коэффициент политропы k.Измерение плотности ВВ не вызывает экспериментальных затруднений. Для измерения скорости детонации широко используются приборы, основанные на непрерывном измерении сопротивления специального кабеля, помещаемого в заряд ВВ (метод непрерывного измерения скорости детонации) [20]. Для измерения k предложен представленный ниже способ водяной ванны. Опыты удобно проводить с размещением цилиндрического заряда ВВ в резервуаре с водой.

Вода является средой с надежно определенной ударной адиабатой [17, 19], не вступает в экзотермическую реакцию с продуктами взрыва и легкодоступна.

Одна из возможных схем измерений представлена на рис. 1. Данная схема позволяет осуществлять непрерывную фиксацию скорости разрушения измерительного провода как в ВВ, так и вблизи заряда.

Для замеров было предложено определять скорость детонации взрывчатого вещества D, а на участке, расположенном в воде, скорость распространения ударной волны Dx.

Рассмотрим параметры ударной волны в воде при взрыве удлиненного безоболочного заряда ВВ. Введем следующие обозначения: k, г - коэффициенты политропы и адиабаты продуктов взрыва; с_BB, с_H2O- плотности ВВ и воды; PH, Px- давление во фронте детонационной волны и фронте ударной волны в воде соответственно; u_e-массовая скорость воды за фронтом ударной волны.

Давление на фронте ударной волны в воде равно

Px = с_H2OD_xu_e,(1)

где u_e- скорость движения частиц под действием продуктов взрыва.

Ударную адиабату воды принимаем в виде [21]Dx=1483+25306 lg(1+ u_e / 5190) .

Рис. 1. Принципиальная схема эксперимента:

1 - заряд ВВ; 2 - вода; 3 - промежуточный детонатор,

4 -датчиковый провод Probecable-HT, 5 - реостатныйприбор Handitrap VOD recorder

Скорость движения частиц воды под действием продуктоввзрыва при скользящем ударе может быть найдена из выражения [21, 22]:

Учитывая, что, согласно данным в [17, 19],

на основании (1) -(3) получаем следующее уравнение для определения коэффициента политропы продуктов взрыва k:

Уравнение (4) решается относительно k любым численнымметодом.

2. Результаты исследований

Анализ результатов проведенных взрывов позволяет утверждать о том, что производительность выемочных работ при использовании Эмульпора вместо эмулана ПВВ-А70 не изменилась, но при этом появилась возможность заряжания скважин глубиной более 25-30 м без образования воздушных промежутков.

При этом необходимо отметить слаженное функционирование связки «экскаватор-транспорт». Экскаватор ЭКГ-6,3УС работал совместно с самосвалами БЕЛАЗ 75131-10 (75310), экскаватор РН 2800 - с самосвалами БЕЛАЗ 75306, а экскаватор ЭШ 20/90осуществлял уборку породы по бестранспортной схеме.

На основании результатов опытных взрывов рекомендуются эмульпоры, которые имеют разрушительные свойства, аналогичные эмулану ПВВ-А70, для отбойки легко- и средне взрываемых пород, что подтверждает возможность практического использования таких ВВ, в том числе при взрывании сдвоенных уступов (скважины глубиной до 50 м), что невозможно осуществить с применением эмулана ПВВ-А70.

На рисунке 2 представлены результаты расчета величины усадок скважинного заряда ЭВВ при различных значениях температуры ЭВВ в момент взрыва (для сухих скважин). Аналогичные результаты получены для обводненных скважин при высоте столба воды над зарядом 5 м.

Расчеты выполнены для ЭВВ на монорастворе аммиачной селитры. Плотность ЭВВ при температуре +20 °C принималась равной 1,09 г/см3, а плотность матричной эмульсии - 1,33 г/см3.Температуру массива горных пород считали одинаковой (+10 °C).Температуру ЭВВ при контрольном измерении плотности принимали двойной: 40 °C (см. рис. 2, а) и +50 °C (см. рис. 2, б).Величина объемного коэффициента температурного расширения матричной эмульсии в считалась равной 0,0008 град^-1.

Рисунок 2- Зависимости величины усадок вертикального скважинного заряда ЭВВ от длины сформировавшегося заряда (сухая скважина) при температуре ЭВВ +40 °C (а)и 50 °C (б): 1 -термоусадка; 2 - гравитационная усадка; 3 - усадка заряда, всего

Для оценочных расчетов, ввиду отсутствия экспериментальных данных, в определяли по формуле из работы [23]:

где м - коэффициент Пуассона (в данном случае м = 0,5); cv -удельная теплоемкость ЭВВ (cv=2000 Дж/(кг*град)); C-скорость звука в матричной эмульсии на монорастворе аммиачной селитры (для матричной эмульсии на монорастворе аммиачной селитры C=2000 м/с).

Анализ зависимостей, приведенных на рисунке 2, показывает, что учет термоусадки скважинного заряда ЭВВ позволяет более точно рассчитать высоту колонки заряда, что дает возможность более надежно управлять такими параметрами взрыва, как разлет кусков горной породы, обратный выброс, объем зоны неуправляемого разрушения горных пород. Практически термоусадку необходимо учитывать при высоте колонки заряда более 10 м.

Применительно к механизированному заряжанию зарядных камер предохранительными ЭВВ 3-го класса в условиях подземных выработок АК «АЛРОСА», в соответствии с настоящими Техническими условиями, изготавливаются ПЭВВ двух типов НПГМ-ПР: НПГМ-ПР тип «Н» (по ТУ 7276-004-37945333-2016) -где эмульсия изготовлена с применением натриевой селитры; НПГМ-ПР тип «К» (по тем же ТУ), где эмульсия изготовлена с применением кальциевой селитры.

Для изготовления НПГМ-ПР применяли эссенцию ПР типов«Н» и «К», газогенерирующую добавку ГГД. Допуск в производство вышеуказанных материалов должен осуществляться в соответствии с требованиями «Регламента технологического процесса изготовления НПГМ-ПР в смесительно-зарядных машинахМСЗП-4-011».

Авторами статьи разработан технологический процесс заряжания зарядных камер предохранительным ПЭВВ 3-го класса, включающий изготовление в мобильной модульной технологической линии ММТЛ-500-2 растворов селитры и транспортирование полученного ВВ к месту заряжания по подземным выработкам, а также перекачивание компонентов из кассеты доставщика в соответствующие баки смесезаправочной машины. Процессу заряжания сопутствуют следующие операции:

· калибровка (настройка) дозирующих устройств СЗМ по компонентам на соответствие компонентного состава требуемым пропорциям;

· проверка калибровки путем индивидуальной проверки количества (объема, массы) каждого подаваемого компонента заданному количеству с помощью электронной панели управления СЗМ (бортовой компьютер);

· перемешивание эссенции и раствора ГГД при заряжании шпуров и скважин;

· контроль качества, изготавливаемого НПГМ-ПР по показателю «плотность» через каждые 15 и 30 мин после изготовления образца;

· удаление остатков НПГМ-ПР из зарядного шланга (промывка или заполнение эссенцией);

· выгрузка пустой кассеты с доставщика на участке хранения компонентов ЭВВ;

· погрузка и доставка автотранспортом пустых кассет на стационарный пункт подготовки компонентов ЭВВ.

Подачу НПГМ-ПР в скважину (шпур) осуществляют посредством винтового насоса СЗМ по зарядному шлангу. Включение шланговращателя на извлечение зарядного шланга из скважины осуществляется только после заполнения ее на длину 0,5-1 м.При этом ЭВВ образуется только после смешивания эссенции с раствором ГГД. Плотность смеси должна составить не менее1,1 г/см3, но не более 1,2 г/см3. До момента смешения эссенциии раствора ГГД эти раздельные (несмешанные) компоненты взрывобезопасны. Управление процессом зарядки скважин НПГМ-ПР осуществляется оператором с выносного пульта или с дистанционного пульта по радиоканалу.

Число промежуточных детонаторов (боевиков) и место их расположения в заряжаемой скважине регулируется Проектом технического взрыва и указывается в Паспорте (корректировочном расчете) каждого конкретного заряжаемого блока (забоя)в зависимости от принятой технологии заряжания и от конструкции заряда. Для удержания формируемого заряда в восстающей взрывной скважине применяют тканевые рукава и устройство дляих размещения в скважине.

Для оценки полноты тепловыделения при детонации промышленных ВВ, изготавливаемых на местах применения, были проведены опытно-полигонные опыты. Осуществлен взрыв 90-миллиметрового заряда эмульсионного ВВ плотностью 1,06 г/см³ в воде(см. рис. 1). Длина заряда - 1000 мм, инициатор - патрон аммонита 6ЖВ массой 200 г. Оболочка заряда - полиамидная ткань.

Способ сенсибилизации - гранулы пенополистирола диаметром8-10 мм и насыпной плотностью 0,06 г/см³. Дозирование пенополистирола на смешение с эмульсией - объемное, на 3 объема эмульсии 2 объема гранул пенополистирола. Химический состав эмульсионной матрицы: раствор окислителей - 75 % NH₄NO₃;15 % Са(NO₃)₂; 10 % H₂O; топливная смесь: 25 % эмульгатор(РЭМ-5) + 75 % минеральное масло (И-20А). Процентное отношение окислителя и топливной фазы в эмульсии - 92:8. Плотность эмульсии до сенсибилизации - 1,414 г/см³. Результаты измерения скорости детонации представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зависимость изменения длины заряда эмульпора(плотность 1,06 г/см³ и диаметр 90 мм) от времени при взрыве в воде; оболочка заряда-полиамидная ткань.

На основании вышеприведенной методики расчета параметров взрывного процесса имеем следующие значения показателей:

· коэффициент политропы продуктов взрыва k = 2,5;

· показатель политропыn = 1,93;

· массовая скорость воды за фронтом ударной волны ue= 496 м/с;

· экспериментально полученная удельная теплота взрыва Qv= 352 ккал/кг;

· расчетная (теоретическая) удельная теплота взрыва Qт = 682,1 ккал/кг;

· коэффициент полноты тепловыделения з = 0,516.

При расчетах принимали следующие значения параметров: б = 0,45 см³/г [24]; г= 1,25 [25]. Величина Q_т определена из уравнения разложения вещества ЭВВ в соответствии с принципом Бринкли-Вильсона. Оценим корректность полученного результата. Согласно [25] для жидких ВВ наблюдается выполнение соотношения

где d_зар, d_пред- диаметр заряда ВВ и предельный диаметр соответственно;

идеальная скорость детонации.

Так как /(/)² , то величина предельного диаметра будет равна

d_предd_зар^-0,833

В рассматриваемом случае расчетная величина предельного диаметра равна d_пред156 мм. В ходе дополнительных экспериментов определено, что d_пред= 140/150мм. Наблюдается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная технология применения ЭВВ на основе пенополистирола эмульпоров, прошла успешное внедрение при производстве массовых взрывов, в том числе при глубине взрывных обводненных скважин до 50 м.

Учет термоусадки скважинного заряда ЭВВ (необходимо учитывать при высоте колонки заряда более 10 м) позволяет более точно рассчитать высоту колонки заряда и более надежно управлять такими параметрами взрыва, как разлет кусков горной породы, обратный выброс, объем зоны неуправляемого разрушения горных пород.

Разработанная технология заряжания зарядных камер предохранительным эмульсионным промышленным ВВ 3-го класса НПГМ-ПР была успешно испытана и применена на руднике «Удачный» АК «АЛРОСА», что позволило впервые в мировой практике осуществлять механизированное заряжание предохранительным ПЭВВ 3-го класса зарядных камер (шпуров и скважин) в подземных условиях. При детонации промышленных ВВ, изготавливаемых на местах применения, теплота фактического тепловыделения, ниже теоретически рассчитанного на 20-40 %. Разработана методика определения и расчета полноты тепловыделения при взрыве зарядов ВВ на месте производства взрывных работ, что позволяет осуществлять корректировку параметров БВР в полигонных условиях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Викторов С.Д., Закалинский В.М. Новая концепция совершенствования буровзрывных работ на подземных рудниках // Горный журнал. 2002. № 9. С. 9-12.

2. Кутузов Б.Н. Справочник взрывника: в 2 ч. Сер.: Библиотека горного инженера. -М.: Горное дело ООО «Киммерийский центр», 2014. Т. 10. Взрывное дело. Кн. 1. Ч. II. Техника, технология и безопасность взрывных работ. -304 с.

3. Еременко А.А. Совершенствование технологии буровзрывных работ на железорудных месторождениях Западной Сибири. -Новосибирск: Наука, 2013. -192 с.

4. Сивенков В.И., Иляхин С.В., Маслов И.Ю. Эмульсионные взрывчатые вещества и неэлектрические системы инициирования. -М.: Щит-М, 2013. -320 с.

5. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. -М.: Недра, 1982. -248 с.

6. Афанасенков А.Н., Котова Л.И., Кукиб Б.Н. О работоспособности промышленных взрывчатых веществ // Физика горения и взрыва. 2001. № 3. С. 115-125.

7. Дугарцыренов А. В., Ким С. И., Бельченко Е. Л., Николаев С. П. Требования к выбору параметров БВР для дробления сложно-структурных массивов горных пород комбинированными и дополнительными зарядами // Взрывное дело. 2015. № 113/70.С. 142-148.

Размещено на Allbest.ru