«Вплив вмісту інертних домішок на запобіжні властивості вибухових речовин»

ВСТУП

На теріторіі Донбасу добувається велика кількість вугілля – біля 80 мільйонів тонн на рік. Але видобуток вугілля є дуже небезпечними процесом. У атмосферу багатьох підземних виробок виділяються горючі гази (метан, етан, етилен та інші вуглеводи, водень, сірководень), а також вугільний пил. Ці фактори є небезпечними і можуть утворити підземний вибух або пожежу, що приведуть до великих руйнувань. Травматизм на вугільних шахтах Донбасу за останні роки не зменшився, не дивлячись на те, що видобуток вугілля зменшився. За останні двадцять років трапилось біля 40 вибухів газу та пилу, біля 80 спалахів метану, більше 1500 газодинамічних явищ, біля 700 пожеж, 1400 обрушень та завалів гірських виробок. Загинуло біля 3400 чоловік, з них біля 35% при аваріях з груповими випадками [1].

Однією з основних причин утворення вибуху газу та пилу є вплив джерел тепла (луч вогню, електрична іскра та ін.) на вибухонебезпечне середовище при видобутку вугілля. Вибухові роботи є на сьогоднішній день невід’ємним процесом гірничого виробництва. З їх допомогою у наш час видобувається біля 10% вугілля та проводиться біля 40% підготовчих виробок. На підприємствах вугільної промисловості щороку витрачається біля 8 тис. тонн ВР, з них біля 5 тис. тонн - запобіжні [2]. Щоб уникнути вибуху, необхідно дотримуватись правил безпеки. При недотриманні їх підривні роботи становлять серйозну небезпеку. Однією із найважливіших мір безпеки є застосування запобіжних вибухових речовин при підривних роботах у підземних виробках, небезпечних за газом та пилом.

Об’єкт дослідження – амоніт П5 і амоніт Г5, що виготовляють на ДКЗХВ.

Мета роботи – дослідження впливу вмісту інертних домішок на запобіжні властивості, визначення оптимальних умов для проведення підриву запобіжних вибухових речовин(ЗВР).

Актуальність роботи полягає в тому, що в амоніти, які використовують при проведенні підриву у виробках небезпечних по газу, містять інертні домішки та запобігають запаленню, що може викликати вибух метаноповітрянної суміші, та сприятиме обвалу шахти.

Практична цінність результатів – ґрунтується на визначенні оптимального складу амонітів, його вмісту компонентних сполук, що приведуть до мінімізації спалахів метаноповітрянної суміші.

Наукова значимість – визначення залежності кількості спалахів метаноповітрянної суміші від вмісту інертних сполук; визначення залежності кількості спалахів метаноповітрянної суміші від кисневого балансу ВР, що досліджується.

1 ОСОБЛИВОСТІ МЕТАНОВИДЕЛЕННЯ ПРИ ВИКОНАННІ ПІДРИВНИХ РОБІТ

Під час процесу руйнування газоносного гірського масиву вибухом можна виділити ряд особливостей. При короткоуповільненому висадженні комплекту шпурових зарядів у газоносному вугільному шарі за короткий проміжок часу відбувається відрив, дроблення й переміщення значних об'ємів вугільної маси з вивільненням сорбованого й вільного метану з пор, що розкриваються, і тріщин. Причиною швидкого метановиділення з відбитого й роздрібненого вугілля є швидкісний процес руйнування. Цей процес закінчується дуже швидко у перші секунди після вибуху. До цього часу частина метану, який виділився, встигає перейти в атмосферу привибійного простору. Причому інтенсивність метановиділення, що визначає кількість газу, що виділився в зазначений проміжок часу, залежить від газоносності вугілля, об'єму й ступеня дроблення відбитої гірської маси. Також необхідно сказати, що вміст метану у виробці залежить від кількості повітря, що подається до неї, а не тільки від газовиділення. Але безпосередня дія вентиляції починається тільки через деякий час після висадження і наявність повітря практично не впливає на вміст метану. Так при кількості повітря, що подається до вибою - 60 м³/хв за 100 мс до вибою надійде близько 0,1 м³ повітря, зрозуміло, що така кількість повітря не знизить суттєво концентрацію метану в привибійному просторі.

Зміна концентрації метану у просторі виробки після вибуху залежить від багатьох факторів, тому необхідно враховувати динаміку зміни концентрації метану в привибійному просторі. Був проведен відбір газових проб специільними (вакуумними, поршневими й мембранами) пробовідбірниками після висадження із загальним часом до 720 мс. При цьому спеціальними пристроями задавався інтервал уповільнення. Ізоляція, у даному випадку, забезпечувалася зворотнім клапаном.

Необхідно звернути увагу на проби, що набирався через 0,05..0,50 с після подачі струму у вибухову мережу, вони характеризують зміну сполуки атмосфери в призабійній частині вироблення в процесі висадження зарядів. За допомогою таких приладів було набрано більше 1000 проб газу, у тому числі більше 300 за період від 0,05 до 0,50 с після початку висадження шпурових зарядів і більше 500 проб у секундні й хвилинні періоди часу. Дослідження динаміки метану при підривних роботах вибухових речовин (ВР) IV класу показують:

а) ріст метановиделення спостерігається вже через 25 мс після подачі струму у вибухову мережу;

б) вибухонебезпечні концентрації метану у привибійному просторі виробки при підривних роботах не утворяться за період часу до 250 мс включно, лічачи від початку подачі імпульсу струму у вибухову мережу (концентрація метану не перевищує 1,9%). Така кількість метану навіть при невеликій кількості вибухового вугільного пилу може привести до вибухонебезпечного середовища у виробці.

Але таке небезпечне середовище може утвортися в окремих випадках і в обмеженому об'ємі;

в) через 0,6...5 с після початку вибуху концентрація метану в привибійному просторі може досягати вибухонебезпечної межі.

При наявності провітрювання виробок вибухонебезпечні концентрації метану в привибійному просторі можуть утримуватися у межах декількох хвилин, а в окремих випадках до 10 хв. після виробництва підривних робіт. При підривних роботах ВР V і VI класів час початку утворення загрозливих і вибухонебезпечних концентрацій метану в 1,4 рази більше, ніж при застосуванні ВР IV класу. Завдяки збільшенню концентрації вугільного газу, виділенню етану утворенню отруйних газів та зменшенню кисню, змінюється склад рудникової атмосфери. Концентрація кисню в привибійному просторі виробки знижується протягом тривалого періоду часу (до 10 хвилин), але лише в окремих випадках вона становить менш 18...19%[3].

2 ЗАПОБІЖНІ ВИБУХОВІ РЕЧОВИНИ Г5, П5

Амоніти Г5, П5 являють собою порошкоподібну запобіжну водостійку ВР IV класу. Дозволом Дергірпромнагляду України амоніти Г5, П5 допущені до застосування в гірничій промисловості, у вугільних шахтах, небезпечних по газу й пилу, у тому числі для струсного висадження у середовищах, небезпечних по раптових викидах вугілля, породи й газу.

Призначені для висадження по вугіллю й породам будь-якої міцності при будь-який обводненности шпурів в умовах, де «Єдиними правилами безпеки при підривних роботах» (ЄПБ ВР) дозволене застосування ВР IV класу. Патрони підлягають заряджанню вручну. Амоніти Г5, П5 можуть зберігатися й застосовуватися у всіх кліматичних районах.

Амоніти Г5, П5 випускають по ТУ У 3.50-14311844-112-2000 у патронах діаметром 36-37 мм, масою 300 г при щільності ВР у патроні (1,05 -1,20) г/см³. Патронують у гільзи з паперу жовтого кольору. На кожний патрон повиненно бути нанесено незмивною фарбою маркування.

Запобіжні властивості: частість запалення метаноповітряної суміші не більше 50% при вибуху заряду масою 300 г з 20 випробувань у канальній мортирі при прямому ініціюванні без забійки й відсутність запалень пилоповітряної суміші при вибуху заряду масою 700 г у трьох дослідах у канальній мортирі. Перед заряджанням шпур повинен бути ретельно очищений від бурового дріб'язку й пилу. Заряд, що складається із двох або більше патронів, необхідно вводити в шпур одночасно[4].

3 МЕТОДИКА ВИПРОБУВАННЯ В МЕТАНОПОВІТРЯННРОЙ СУМІШІ

Патрони послідовно один за іншим впритул поміщають у канал мортири, що представляє собою товстостінний сталевий циліндр зовнішнім діаметром не менш 300 м із некрізним (осьового розташування) каналом довжиною (1050±10) мм і діаметром (55±1,0) мм.

Візок із зарядженою мортирою обережно підштовхують впритул до фланця люка в днище штреку.

Штрек з рухливою або нерухливою діафрагмою, що представляє собою металеву трубу діаметром (1800±30) мм і довжиною (15000±500) мм .

Один кінець штреку відкритий, а другий закритий днищем з люком 300-400 мм. Газ, що використовується для готування метаноповітряної суміші (природний або синтетичний), що містить по об'ємній частці:

- метану - не менш 85%;

- гомологів метану - не більше 8%;

- азоту й вуглекислого газу в сумі - не більше 7%;

- неграничних вуглеводнів і водню – не більше 0,005%.

У трубі за допомогою рухливої або нерухливої діафрагми відгороджують камеру об'ємом 10-111 м³, у яку при переміщенні впускають газ у кількості, необхідному для створення його концентрації в суміші з повітрям (9,0±0,5)% по об'єму. Від вибухової машинки подають імпульс на ЕД випробуваного заряду й після вибуху останнього реєструють візуально відбулося або не відбулося запалення метаноповітряної суміші.

ВР вважають витримавши випробування при масі заряду. Нормованої нормативним документом на конкретні ВР, якщо: при випробуванні ВР I IV класу частот запалення метаноповітряної суміші в 20 дослідах підряд – не більше 50%.

При одержанні незадовільних результатів проводять повторні випробування з подвоєною кількістю дослідів.

Результати повторних випробувань є остаточними.

На випробування з періодичністю переходять при одержанні позитивних результатів не менш чим в 10 випробувань підряд[5].

В умовах заводу ДКЗХВ проводились випробування амоніту П5, Г5 на опитному штреці.

4 ОБРОБКА ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНИХ ДАННИХ

Pозрахуємо вміст інертних домішок, кисневий баланс амонітів й енергетичних показників амонітів .

4.1 Розрахунок вмісту інертних домішок у амонітах

Вміст інертних домішок знаходимо за формулою:

а = b + c + d,

де а – вміст інертної сполуки у амоніті, г;

b – вміст солі у амоніті, г;

c – вміст нерозчинних сполук разом із графітом у амоніті, г;

d – вміст поліфосфату у амоніті, г.

4.2 Розрахунок кисневого балансу амонітів

Кисневий баланс(КБ) знаходимо за формулою:

КБ = n • (-74) + m • (+19),

де n – вміст тротилу в амоніті, г;

-74 – КБ тротилу;

m – вміст селітри в амоніті, г;

+19 – КБ селітри.

По розрахованим даним побудуємо графік залежності кількості спалахів від кількості інертної сполуки у вибуховій речовині та залежність кількості спалахів від КБ.

4.3 Розрахунок енергетичних властивостей амонітів

Розрахунок проводимо для зразків амонітів Г5 та П5 згідно рекомендацій[6].

Бруто формула має вигляд:

С_аН_б О_в N_г Na_д Cl_е Р_ж

Виходячи з бруто формули рівняння реакції вибухового перетворення має вид :

С_q + С_а Н_б О_в N_г Na_д Cl_е Р_ж = gNaCl + xН₂О + yCO + zСО₂ + kN₂+qС + s Na₃PO₄,

де С_а – вміст атомів вуглецю в 1кг ВР;

Н _б - вміст атомів водню в 1кг ВР;

N_г - вміст атомів азоту в 1кг ВР;

О_в - вміст атомів кисню в 1кг ВР;

Na_д - вміст атомів натрію в 1кг ВР;

Cl_е - вміст атомів хлору в 1кг ВР;

Р_ж - вміст атомів фосфору в 1кг ВР;

x – кількість молекул води, які утворюються під час вибуху 1кг ВР;

y - кількість молекул СО, які утворюються під час вибуху 1кг ВР;

z - кількість молекул СО₂, які утворюються під час вибуху 1кг ВР;

g - кількість молекул NaCl, які утворюються під час вибуху 1кг ВР;

q - кількість молекул вуглецю, які утворюються під час вибуху 1кг ВР;

s - кількість молекул Na₃PO₄, які утворюються під час вибуху 1кг ВР.

Теплота продуктів вибуху розрахуємо за формулою:

Аx • Ву = Qv,

де Аx – кількість молекул одного елементу, що утворюється під час вибухового перетворення;

Вy – теплота утворення 1 молекули при V=const;

Qv – теплота вибухового перетворення, кДж/кг;

57,49 - теплота утворення однієї молекули води при постійному об'ємі, ккал/моль;

27,17 - теплота утворення однієї молекули CO при постійному об'ємі, ккал/моль;

94,51 - теплота утворення однієї молекули CO₂ при постійному об'ємі, ккал/моль;

98,04 - теплота утворення однієї молекули NaCl при постійному об'ємі, ккал/моль;

38,86 - теплота утворення однієї молекули Na₃PO₄ при постійному об'ємі, ккал/моль.

Qпв = QH₂O + QCO + QCO₂ + QNaCl ,

Qвиб = Qпв – Qвих.прод

Об'єм газоподібних продуктів вибуху находимо за формулою:

V = (Vг) * 22,4,

де 22,4 – об'єм, який займає 1 молекула газу при нормальних умовах;

Vг – сума газів,що утворила під час вибуху.

Далі підрахуємо значення молярної теплоємності газів вибуху при 0⁰С та приріст молярної теплоємності при збільшенні температури на 1⁰С.

а_і * п_і = А,

в_і * п_і = В,

де а – молярна теплоємність продуктів вибуху при 0⁰С;

в – збільшення молярної теплоємності при підвищенні температури на 1⁰С[3].

Графіки залежності кількості спалахів від різних факторів
(Анімация містить 6 кадрів, 1 кадр в 2 секунди, 10 повторів)

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ

У наведеній роботі було розглянуто питання впливу кількості інертної сполуки, кисневого балансу та енергетичних властивостей на кількість спалахів при підриві амонітів, що є однією з важливіших характеристик запобіжних вибухових речовин. Найбільша кількість спалахів спостерігається при найменшому вмісті інертних сполук у ЗВР, таким чином вміст інертної сполуки впливає на запобіжні властивості вибхових речовин, при вмісті інертної сполуки більше 0,205кг (для амоніту Г5) та більше 0,208 кг (для амоніту П5) спалахи не спостерігалися. Розглянувши, як окремо впливають на запобіжні властивості компоненти амоніту П5 видно, що вміст і хлориду натрію і поліфосфату впливають на запобіжні властивості. Але вміст поліфосфату більше впливає на запобіжні властивості амоніту П5, ніж вміст хлориду натрію . При кисневому балансі близькому до нульового спостерігається найменша кількість спалахів, а при відхиленні його у позитивну (амоніт П5) або негативну (амоніт Г5) сторону, кількість спалахів збільшується і утворюються продукти неповного окислення – NO, N₂, CO, а також пальні гази – Н₂ , СН₄. Вони є небажаними і негативно впливають на атмосферне середовище[8].

Енергія, що виділилась під час вибуху ВР у шпурах, тільки частково витрачається на здійснення корисної роботи. Не використана частина енергії, може бути достатньою для того, що б викликати спалах та вибух метаноповітряної та пилоповітряної сумішей[ 9].

Так на графіку спостерігається зростання кількості спалахів при підвищенні теплоти вибухового перетворення.

Фундаментальні дослідження процесів запалення метаноповітрянної суміші під час вибуху ВР показали, що запалення метаноповітрянних сумішей відбувається від зіткнення цієї суміші з полум’ям вибуху ВР, що має високу температуру. Згідно з тепловою теорією увесь газ може бути запалений, як що певний (еквівалентний) сферичний об’єм радіуса R_екв буде нагріто до температури запалення (Т_зап = 2100⁰ К для 8.62% метаноповітрянної суміші)[10].

ВИСНОВКИ

З цього можна зробити висновок, що наявність інертної сполуки та кисневий баланс безпосередньо впливає на кількість спалахів. При розгляданні впливу енергетичних властивостей на кількість спалахів метаноповітрянної суміші, спостерігалось зростання кількості спалахів при зростанні енергетичних показників (теплоти вибуху, вмісту газів, що утворились під час вибуху та температури запалення). У амоніті Г5 при найвищих енергетичних показниках спостерігались 11 спалахів – партія була забракована.