Лекция 9 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ВВ При

Лекция 9 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ ВВ При разработке некоторых полезных ископаемых в подземных выработках встречаются горючие газы и пыль, которые, смешиваясь с воздухом рудничной атмосферы, образуют газовые и пылевоздушные взрывчатые смеси. Так, в угольных шахтах выделяется метан и образуется взрывчатая угольная пыль, в калийных шахтах – метан и водород, в медноколчеданных шахтах – взрывчатая сульфидная пыль. Смесь метана с воздухом дает наиболее мощный взрыв при содержании метана СН 4 – 9, 46 % и воздуха – 90, 54 % по объему. Взрывная реакция идет без изменения объема газов. Теплота взрыва, приходящаяся на 1 кмоль метановоздушной смеси, составляет 18090 ккал, а на 1 м 3 – 806 ккал, что соответствует теплоте взрыва 1 кг аммонита ПЖВ-20. Разрушение горных пород взрывом, 2010 1

При изменении соотношения между метаном и кислородом взрыв будет менее мощным, так как избыточный компонент, не участвуя во взрыве, поглощает часть тепла на собственное нагревание. Взрывоопасные концентрации получаются при содержании в воздухе 4 -15 % метана. Взрывоопасность угольной пыли обычно оценивают по содержанию в угле летучих веществ – продуктов газификации, образуемых нагревом угля без доступа кислорода при температуре 850 о. С. Их выражают в процентах по массе, отнесенных к высушенному углю, за вычетом золы. Угольные шахты относятся к опасным по пыли, если содержание летучих веществ в угле превышает 10 %. Взрывоопасные концентрации угольной пыли составляют от 10 до 600 г/м 3. Разрушение горных пород взрывом, 2010 2

В целях уменьшения вероятности воспламенения метановоздушной атмосферы в состав предохранительных, или антигризутных (устаревшее), взрывчатых веществ, предназначенных для угольных и сланцевых шахт, опасных по взрывам газа или пыли, рекомендуется вводить следующие добавки: пламегасители – вещества, снижающие температуру вспышки зарядов ВВ; ингибиторы – вещества, увеличивающие период индукции (время от начала теплового воздействия до момента воспламенения опасной атмосферы при данной температуре). Основные гипотезы (теории) воспламенения горючих шахтных сред взрывным импульсом Гипотеза антигризутности Малляра и Ле-Шателье В соответствии с этой гипотезой вероятность воспламенения метановоздушной смеси зависит от температуры продуктов взрыва, которая определяет задержку вспышки, и от условий охлаждения продуктов взрыва. Разрушение горных пород взрывом, 2010 3

Ученые Маляр и Ле-Шателье предположили, что действие взрыва ВВ зависит прежде всего от температуры продуктов взрыва. Метановоздушная смесь будет воспламеняться всегда, если температура продуктов взрыва превышает 2200 о. С, и не будет воспламеняться, если температура продуктов взрыва будет меньше 650 о. С. При всех промежуточных значениях температуры продуктов взрыва воспламенение может произойти или нет в зависимости от того, успеют ли продукты взрыва охладиться ниже температуры вспышки за время, меньшее, чем задержка вспышки, соответствующая данной температуре. На основании результатов, полученных Маляром и Ле-Шателье, французская антигризутная комиссия, приблизительно оценив степень охлаждения продуктов детонации при взрывании реальных шпуровых зарядов, приняла решение, что ВВ, используемые при взрывании по породе, должны иметь температуру взрыва не более 1900 о. С, а ВВ, применяемые в угольных забоях, – не более 1500 о. С. Разрушение горных пород взрывом, 2010 4

Гипотеза Е. Одибера На основании результатов своих опытов Е. Одибер предложил следующий механизм процесса воспламенения метана при взрыве заряда ВВ (этот механизм известен как «механизм воспламенения путем смешивания» ). При взрыве заряда ВВ продукты взрыва, имеющие высокую температуру, смешиваются с метановоздушной смесью. Если в процессе разбавления продуктов взрыва метановоздушной смесью (но еще при составе, способном к распространению горения, будет достигнута температура вспышки, то произойдет воспламенение метановоздушной смеси. В своих исследованиях он исходил из следующих соображений. Любой взрывчатый состав можно сделать предохранительным, если к нему добавить достаточное количество инертных добавок. Согласно Е. Одиберу, введение инертных добавок в состав ВВ приводит к уменьшению общей энергии взрыва Q или удельной энергии, приходящейся на единицу объема продуктов взрыва q. Поэтому можно предположить, что воспламенение газовой смеси зависит либо от общей энергии, заключенной в продуктах взрыва, либо от удельной энергии, приходящейся на единицу объема газообразных продуктов взрыва. Разрушение горных пород взрывом, 2010 5

Гипотеза С. Бейлинга Базируясь на своих исследованиях, К. Бейлинг отмел все причины воспламенения, кроме дефлагрирующих (горящих) твердых частиц, попадающих в опасную атмосферу. Эти горящие частицы имеют высокую температуру, при которой задержка вспышки настолько мала, что она (вспышка) успевает произойти даже при большой скорости полета частиц. В 20 -х годах ХХ века Е. Лемер, фотографируя в темноте пламя взрыва зарядов, помещенных в канал мортиры, обнаружил следы искр, которые он приписал твердым частицам ВВ, выбрасываемым из канала мортиры. В эти же годы Е. Одибер также проводил исследования, направленные на выявление роли твердых частиц при воспламенении метана в опытном штреке. Разрушение горных пород взрывом, 2010 6

В заключение обзора гипотез, объясняющих механизм воспламенения метановоздушной среды взрывным импульсом, необходимо отметить, что в настоящее время отсутствует общепринятая единая теория (гипотеза), в рамках которой можно принимать все необходимые меры, касающиеся безопасного проведения взрывных работ в угольных шахтах. На практике ведения взрывных работ в угольных шахтах применяются рекомендации из всех рассмотренных выше гипотез, в частности: - уменьшение температуры взрыва (применение пламегасителей); - увеличение периода индукции – времени нахождения теплового высокотемпературного источника в газовой атмосфере до момента ее воспламенения (применение ингибиторов); - взрывание с забойкой, водяные завесы – изменение условий смешивания газообразных продуктов взрыва с атмосферой; - запрещение применение ВВ с добавкой металлов (алюминия); запрещение обратного инициирования зарядов – предупреждение выброса в атмосферу горящих частиц ВВ. Разрушение горных пород взрывом, 2010 7

Методы испытания предохранительных ВВ (III-VII классы) Испытания проводят в так называемом опытном штреке – стальной трубе эллиптического или круглого сечения диаметром 15002000 мм длиной 10 -30 м, укрепленной на бетонном основании, закрытой с одного конца толстым днищем и открытой с другого конца. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Устройство опытного штрека: 1 – мортира; 2 – люк; 3 – вентиляционная труба; 4 – взрывная камера; 5 – газопровод; 6 – лопастная мешалка; 7 – продольные полки для угольной пыли; ; 8 – рама; 9 – стальная труба; 10 – специальная мортира для вбрасывания пыли; 11 – окна Разрушение горных пород взрывом, 2010 8

1 2 3 5 4 Мортира с зарядом ВВ: 1 – толстостенный стальной цилиндр; 2 – патроны ВВ; 3 – осевой канал; 4 – патрон-боевик; 5 – забойка В соответствии с классификацией Единых правил безопасности при взрывных работах предохранительные ВВ относятся к III-VII классам по условиям применения, причем с повышением класса увеличивается степень предохранительных свойств ВВ, т. е. их можно применять в более опасных условиях. Разрушение горных пород взрывом, 2010 9

Проведение испытаний предохранительных ВВ на воспламенение метана Для взрывчатых веществ III и IV классов испытания по метану проводят в следующей последовательности. В канал мортиры заряжают вплотную до его дна патроны испытываемого ВВ общей массой 600 г. В устье канала помещают заподлицо забойку длиной 10 мм, изготовленную из 4 частей сухой глины и 1 части воды. Заряженную мортиру подкатывают вплотную к люку днища штрека. После этого на раму взрывной камеры наклеивают бумажную диафрагму и приступают к заполнению камеры метаном до получения 8 -10% -ной концентрации. ВВ V и VI классов, предназначенные для взрывания в особо опасных условиях угольных шахт, подвергают штрековым испытаниям по метану в более жестких условиях. Их заряды взрывают в свободно подвешенном состоянии во взрывной камере штрека. При таких испытаниях предохранительные ВВ V класса не должны воспламенять метановоздушную смесь зарядом массой 200 г, а VI класса – зарядом массой 1000 г. Разрушение горных пород взрывом, 2010 10

Для ВВ VI класса дополнительно предусматриваются испытания в уголковой мортире с отражательной стенкой, которая располагается в центре взрывной камеры. 3 1 2 Уголковая мортира с отражательной стенкой: 1 – уголковая мортира; 2 – заряд ВВ; 3 – отражательная стенка Для размещения заряда мортира имеет боковой паз с шириной граней по 100 мм. Вертикальная грань паза должна отстоять от отражательной стенки на расстояние 600 мм. Заряд инициируют предохранительным электродетонатором мгновенного действия. При данном испытании на метановоздушную смесь одновременно действуют раскаленные газы, пламя взрыва и усиленные отражением ударные волны. Разрушение горных пород взрывом, 2010 11

Проведение испытаний предохранительных ВВ на воспламенение пыли Испытания на воспламенение угольной пыли в соответствии с условиями применения проводятся для предохранительных ВВ IV-VI классов. Количество угольной пыли для испытания составляет 6, 0 кг из расчета получения в опытном штреке взрывоопасной концентрации пылевоздушной смеси (400 -600 г/м 3 воздуха). Всю угольную пыль или ее основную массу (около 5, 0 кг, если опытный штрек имеет полки) засыпают в канал вспомогательной мортиры, установленной на расстоянии 8 -11 м от днища штрека. На дно канала предварительно помещают заряд того же испытуемого ВВ массой 50 г с электродетонатором мгновенного действия. После подготовки зарядов мортиры устанавливают на свои места. Заряд во вспомогательной мортире взрывают на 5 -10 с раньше основного заряда для образования в штреке облака пыли. Масса заряда в основной мортире составляет 700 г. При испытании внутреннюю забойку не применяют, но в половине опытов делают подсыпку 100 г пыли в устье мортиры. Взрывную камеру штрека диафрагмой не отгораживают. Для ВВ VI класса предусматривается дополнительное испытание на воспламенение пылевоздушной среды в уголковой мортире. Разрушение горных пород взрывом, 2010 12