Обоснование методов управления скоростью роста
распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых
разрушающих веществ
КАСЬЯН Н.Н. (докт. техн. наук., ДонНТУ)
САХНО И.Г. (канд. техн. наук., ДонНТУ)
ШУЛЯК Я.О. (магистр., ДонНТУ)
Представлены результаты лабораторных исследований работы невзрывчатых
разрушающих веществ в различных температурных режимах, выявлены факторы,
влияющие на скорость роста давления саморасширения и объема материала, намечены
методы управления этими факторами.
Тридцатилетний опыт применения невзрывчатых разрушающих веществ (НРВ)
сформировал основные направления использования последних, но при этом пределенным образом способствовал некоторой зауженности круга задач, решаемых при помощи НРВ.
Традиционно НРВ применяют взамен взрывчатых веществ (ВВ) и связывают с разрушением строительных конструкций и фундаментов, дроблением негабаритных блоков пород.
Попытки применения материала в условиях требующих точного соблюдения размеров и
форм, получаемых при помощи НРВ блоков, например, для добычи поделочного и
самоцветного камня, не имеют широкого применения. Это объясняется тем, что
использование НРВ сдерживается высокой чувствительностью материала к температурному режиму, строгостью соблюдения соотношения входящих компонентов, непроизвольным выбрасыванием состава из шпуров и нерешенностью ряда практических задач связанных с формированием шпурового заряда. Также одним из немаловажных факторов, сдерживающих применение НРВ, является достаточно длительное по сравнению с взрывным способом время разрушения объектов.
В последние годы в ДонНТУ ведется работа, направленная на расширение области
применения НРВ, в частности использование в шахтных условиях. Разработан ряд способов повышения несущей способности породного массива при помощи НРВ [1, 2], проведены их промышленные испытания. Разрабатывается концепция управления напряженно деформированным состоянием породного массива, основанная на применении саморасширяющихся составов.
Для корректного обоснования параметров разрабатываемых технологий разрушения и
упрочнения массивов, основанных на использовании НРВ, и для более широкого внедрения существующих необходимо использовать закономерности изменения распорно-компрессионных характеристик НРВ в различных рабочих режимах. С целью получения таких закономерностей авторами проводятся комплексные исследования свойств саморасширяющихся материалов, с позиций их применения в шпуровых и скважинных зарядах.
В данной статье приведены результаты исследований работы НРВ в различных
температурных режимах, а также определены направления повышения и снижения скорости кристаллизации и гидратации материала. Испытания проводились на материале НРВ-80, выпускаемом в настоящее время промышленностью Украины [3].
Сам факт влияния температуры окружающей среды на скорость разрушения объектов
известен [4, 5, 6, 7], кроме того, известна закономерность снижения давления саморасширения НРВ при понижении температуры [5], однако в настоящее врем не раскрыты причины этого явления, что не позволяет научно обосновать способы управления скоростью роста давления саморасширения. Зависимость давления, развиваемого при увеличении объема НРВ-80, от температуры окружающей среды, построенная на основе данных [5], приведена на (рис. 1).
Рисунок 1 – Зависимость давления (Р) развиваемого при увеличении объема НРВ-80 в возрасте 8 часов (1) и 24 часа (2), и времени (t) разрушения горной породы (3) от температуры (T) окружающей среды при мас. содержании СаО 93 %
Из рисунка видно, что понижение температуры от 30 до 10 градусов приводит к снижению давления на 25–30 %, при этом время разрушения объекта, для приведенных в [5] испытаний сокращается от 5 до 8 часов, то есть на 60 %. При этом следует учитывать тот факт, что указанные давления от саморасширения НРВ-80 получены в идеально жестких условиях, то есть при недопущении объемных изменений последнего, при помещении состава в металлические трубы диаметром 40–50 мм с жесткой пробкой [5]. Создание таких условий при формировании шпуровых и скважинных зарядов на практике практически невозможно, поэтому реальные давления саморасширения будут меньше заявленных, что приведет к увеличению времени разрушения объектов. Кроме того, уменьшение диаметра шпурового заряда меньше приведенного в работе [5] также приведет к снижению развиваемого материалом давления. Эффективное применение невзрывчатых разрушающих материалов во многом зависит от времени затрачиваемого на один цикл операций по разрушению объекта, сокращение этого времени повлечет за собой повышение эффективности невзрывного разрушения. С позиций проведенных исследований становится очевидно, что для повышения скорости роста давления саморасширения, и соответственно сокращения времени разрушения объектов необходимо повышать температуру НРВ. Наиболее простым способом является затворение раствора водой повышенной, относительно окружающей среды, температуры, поскольку равномерное нагревание порошка технологически более сложно. В промышленном использовании это может быть достигнуто путем нагревания воды перед затворением порошка, или при невозможности нагревания – доставкой воды к разрушаемому объекту в термосах. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показывают несостоятельность сделанного предположения о возможности управления скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора подогретой водой. Так, повышение начальной температуры воды до от 2 до 50 практически не влияет на скорость реакции гидратации, материал выделяет тепло в одном режиме, а при повышении температуры воды выше 70 градусов приводит к настолько резкому росту скорости гидратации, что установить приготовленный раствор в шпур и сформировать заряд становится технологически невозможно. Для изучения влияния температуры окружающей среды на протекание реакции гидратации был проведен третий этап лабораторного моделирования. Общая постановка эксперимента совпадала с предыдущим этапом исследований. Отличие заключалось в том, что через определенное время (8 мин) после приготовления раствора и помещения его в пластиковую трубку, трубка опускалась в емкость с водой подогретой до температуры 50, 70 и 90 . Из рисунка видно, что понижение температуры от 30 до 10 градусов приводит к снижению давления на 25–30 %, при этом время разрушения объекта, для приведенных в [5] испытаний сокращается от 5 до 8 часов, то есть на 60%. При этом следует учитывать тот факт, что указанные давления от саморасширения НРВ-80 получены в идеально жестких условиях, то есть при недопущении объемных изменений последнего, при помещении состава в металлические трубы диаметром 40–50 мм с жесткой пробкой [5]. Создание таких условий при формировании шпуровых и скважинных зарядов на практике практически невозможно, поэтому реальные давления саморасширения будут меньше заявленных, что приведет к увеличению времени разрушения объектов. Кроме того, уменьшение диаметра шпурового заряда меньше приведенного в работе [5] также приведет к снижению развиваемого материалом давления. Эффективное применение невзрывчатых разрушающих материалов во многом зависит от времени затрачиваемого на один цикл операций по разрушению объекта, сокращение этого времени повлечет за собой повышение эффективности невзрывного разрушения. Для изучения особенностей работы НРВ в различных температурных полях были проведены лабораторные исследования. Известно, что увеличение объема саморасширяющихся составов на основе оксида кальция связано с протеканием реакции гидратации, сопровождающейся выделением значительного количества тепла. На первом этапе исследований изучалось изменение температуры и объемов образца НРВ во времени. Для этого в тонкостенную резиновую оболочку помещали приготовленный раствор НРВ-80 объемом 3 см3. Внутрь оболочки устанавливали электронный лабораторный термометр с точностью 0,10. После этого при помощи видеосъемки фиксировали изменение объема материала и его температуры во времени. Для изучения влияния начальной температуры приготавливаемого раствора на протекание реакции гидратации был проведен второй этап лабораторного моделирования. На первом этапе моделирования было доказано, что скорость изменения температуры материала в процессе его гидратации характеризует рост саморасширения, а соответственно и давления развиваемого им, во времени. Поэтому на втором этапе исследований производили фиксацию только температурных изменений материала. Схема эксперимента была изменена следующим образом. Приготовленный раствор НРВ-80, объемом 3 см3 помещали в пластиковую трубу, диаметром 2,5 см и длиной 8 см с одним запаянным концом, которая имитировала шпур. В стенке трубы было выполнено отверстие диаметром 3,5 мм, в которое устанавливали стержень электронного термометра. Общий вид эксперимента приведен на рисунке . Раствор НРВ приготавливали при изменении температуры воды в диапазоне от +2 до 95 oС. Начало фиксации температуры раствора производилось через 3–5 минут после затворения, что связано с технической стороной проведения эксперимента. Результаты исследований приведены на рисунке.
Рисунок 2 – Общий вид эксперимента 2 этапа исследований
Рисунок 3 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t) при начальной температуре воды при затворении порошка:
1 – 20 oС, 2 – 80 oС, 3 – 30 oС, 4 – 50 oС, 5 – 70 oС, 6 – 95 oС
Анализ полученных графиков показывает, что повышение температуры раствора НРВ на первой стадии от 19 до 42,5 oС (температура воды при затворении 2–50 oС), практически не влияет на протекание процесса гидратации, что характеризуется наложением графиков на второй и третьей стадиях работы НРВ. Начальная температура либо повышается, либо снижается до отметки 35–37 oС, после чего материал работает одинаково. Повышение начальной температуры раствора до отметки 47,6 oС и выше приводит к протеканию сразу третьей стадии работы материала, начинается активная фаза реакции гидратации с одновременным переходом воды в химически связанное состояние, сопровождающееся резким ростом температуры. При этом наблюдается мгновенный выброс значительной части материала из шпура. Анализ графиков (рис. 4, 6) позволяет сказать, что характерной точкой изменения режима работы НРВ является отметка в диапазоне 43–46 oС. При достижении этой температуры наступает третья стадия работы материала, скорость протекания реакции во всех случаях одинаковая, кривые роста температуры после отметки 43–46 oС совпадают. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показывают несостоятельность сделанного предположения о возможности управления скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора подогретой водой. Так, повышение начальной температуры воды до от 2 до 50 oС практически не влияет на скорость реакции гидратации, материал выделяет тепло в одном режиме, а при повышении температуры воды выше 70 градусов приводит к настолько резкому росту скорости гидратации, что установить приготовленный раствор в шпур и сформировать заряд становится технологически невозможно. Для изучения влияния температуры окружающей среды на протекание реакции гидратации был проведен третий этап лабораторного моделирования. Общая постановкаэксперимента совпадала с предыдущим этапом исследований. Отличие заключалось в том, что через определенное время (8 мин) после приготовления раствора и помещения его в пластиковую трубку, трубка опускалась в емкость с водой подогретой до температуры 50, 70 и 90 oС. Температурная характеристика НРВ при описанном эксперименте редставлена на (рис. 4).
Рисунок 3 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t) при температуре окружающей среды:
1–30 oС, 2–50 oС, 3–70 oС, 4–90 oС
Полученные зависимости позволяют сделать вывод, что температура окружающей среды оказывает существенное влияние на скорость перехода материала на вторую стадию работы и скорость протекания реакции гидратации на этой стадии. Так для проведенного опыта при температуре окружающей среды 900 oС в материал в течение минуты переходит к третьей стадии работы, а при температуре 50 oС в течение 17 минут, при этом начало протекания реакции гидратации совпадает со временем изменения температурного поля, то есть совпадает с отметкой 8 минут. В то время как при нахождении образца в исходном температурном поле (30 oС) вторая стадия начинается естественным образом лишь через 18 минут после затворения, а третья через 38 минут. При этом скорость протекания третьей и четвертой стадий работы материала совпадают для всех исследуемых случаев. Таким образом, очевидным становится тот факт, что изменением температуры окружающей среды можно повлиять на температуру материала, что позволяет изменить скорость наступления и протекания второй стадии работы НРВ. Проведенные исследования показывают, что управлять процессом роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция можно путем изменения температурного режима материала на второй стадии его работы. Для предотвращения негативного эффекта снижения скорости роста и величины давления саморасширения исследуемых материалов следует исключить теплообменные процессы между стенками шпура и зарядом НРВ, что может быть достигнуто путем создания теплоизолирующей оболочки. Управление скоростью протекания реакции гидратации изменением температурного поля является достаточно эффективным, но не всегда удобным способом. Более практичным и простым является химический способ. Известно, что замедление процесса гидратации может быть достигнуто увеличением процентного содержания воды в растворе НРВ, однако при этом давление саморасширения развиваемое составом резко падает. Согласно инструкции по приготовлению материала НРВ-80 процентное содержание воды в растворе не должно превышать 30–34 %. При этом рекомендуемое инструкцией содержание воды составляет 24–26 % от общей массы состава. Для изучения изменения температурного режима при повышенном содержании воды было проведено два эксперимента, в которых процентное содержание воды составило 31 % и 43 % от общей массы состава. Так при повышении процентного содержания воды до 31 % скорость протекания первой и второй стадии работы материала не изменилась, а скорость протекания третьей стадии снизилась на 33 % . При этом максимально развиваемая температура также снизилась на 30 %. Так как температура является сигнализатором протекания реакции гидратации, можно сделать вывод о соответственном снижении максимального давления саморасширения на 30 %. При процентном содержании воды 43 % материал не перешел на третью стадию работы, при этом объем его практически не изменился. Таким образом, подтверждены известные свойства материала резко снижать давления при увеличении процентного содержания воды в растворе НРВ, и доказано, что причиной этого является замедления скорости протекания реакции гидратации. С целью снижения скорости протекания реакции предлагается добавлять в состав соли кислот, например хлорида натрия. Добавление в раствор 10 % по массе хлорида натрия приводит к замедлению протекания третьей стадии работы материала, то есть влияет на период активной фазы гидратации. При этом максимальная температура состава снижается на 6–9 %, а время протекания третьей стадии работы материала увеличилось на 30–35 % . Анализ результатов исследования приведенных на рисунке 5 позволяет сделать вывод о перспективности выбранного направления управления скоростью работы невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция химическим способом.
Рисунок 4 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t):
1 – при стандартном соотношении компонентов смеси, 2 – при увеличении содержания воды до 31 %, 3 – при добавлении в состав 10 % хлорида натрия , 4 – при добавлении в состав 10 % гидрокарбоната натрия
Таким образом, анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы. Для повышения эффективности и обоснования возможности применения невзрывчатых разрушающих веществ, для решения различных задач необходимо использовать закономерности изменения распорно-компрессионных характеристик НРВ в различных температурных режимах, учитывая тот факт, что скорость роста давления саморасширения, и его абсолютная величина зависят от температуры материала. В работе исследуемого материала можно выделить четыре характерные стадии. Первая стадия характерна пастообразным состоянием материала, при этом вода находится в растворе в адсорбированном состоянии и гидратация оксида кальция не происходит. Вторая стадия характеризуется переходом материала из пастообразного состояния в твердое, начинается переход воды из адсорбированного состояния в химически связанное, начало протекания гидратации оксида кальция. Третья стадия характеризуется резким скачкообразным ростом температуры во времени, что может быть объяснено протеканием активного периода гидратации материала. Вода при этом находится в химически вязанном состоянии, а материал представляет собой твердое тело. На четвертой стадии большая часть состава уже прореагировала и происходит снижение температуры материала сопровождающееся незначительным ростом объема имеющем затухающий характер. Управление скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора водой с температурой отличающейся от температуры окружающей среды не может принести существенного эффекта. Управлять процессом роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция можно путем изменения температурного режима материала на второй стадии его работы. Для предотвращения негативного эффекта снижения скорости роста и величины давления саморасширения исследуемых материалов следует исключить теплообменные процессы между стенками шпура и зарядом НРВ, что может быть достигнуто путем создания теплоизолирующей оболочки. Практичным и простым является химический способ управления скоростью протекания реакции гидратации. Так для снижения скорости протекания реакции предлагается добавлять в состав соли кислот, например хлорида натрия, а для повышения скорости гидратации – гидрокарбонат натрия. Следует отметить, что полученные зависимости характеризуют качественную сторону процесса и строго соответствуют только принятой постановке задачи. Характер работы НРВ в условиях шпуровых зарядов зависит не только от температурного режима, но и от жесткости системы «породный массив состав НРВ», диаметра шпура и соотношения геометрических размеров пластифицированной смеси. Для получения более надежных количественных характеристик и зависимостей необходимо проведение дополнительных исследований с варьированием указанных условий в широком диапазоне, что и является предметом дальнейших исследований.
Библиографический список
1. Патент на корисну модель UA 51574 А, Опубл. 26.07.2010 р., Бюл. № 14.
2. Заявка на патент на винахід № 2010 00705, Спосіб кріплення гірничих виробок, Дата подання заявки 25.01.2010.
3. ТУ У В.2.7–26.5–24478901–004:2007 Невибухова руйнуюча речовина. Технічні умови. – на заміну ТУ У БВ 2.7.00030937.089397. Без обмеження терміну дії. – Харьков: Госстандарт. Харьковский центр стандартизации и аэрологии, 2007–14 с.
4. Шевцов М.Р., Калякин С.О., Купенко І.В., Шкуматов О.М., Рубльова О.І. Стан технології та обґрунтування умов руйнування суцільного середовища гірських порід і будівельних конструкцій / Проблеми гірського тиску. Донецьк: ДонНТУ, 2009, № 17 – С. 226–249.
5. Деклараційний патент на винахід UA 59940 А, Опубл. 15.09.2003 р., Бюл. № 9.
6. Авторское свидетельство СССР SU 1186595 A, Опубл. 23.10.1985.
7. Коровников В.И., Стариков Г.П., Морев А.М., Коврига Н.Н. Фазовое состояние саморасширяющегося водного раствора и его разрушающее воздействие на шахтные образцы пород // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах: Сб. научн. тр. МакНИИ, 1988. – С. 81–93.
Рисунок 1 – Зависимость давления (Р) развиваемого при увеличении объема НРВ-80 в возрасте 8 часов (1) и 24 часа (2), и времени (t) разрушения горной породы (3) от температуры (T) окружающей среды при мас. содержании СаО 93 %
Из рисунка видно, что понижение температуры от 30 до 10 градусов приводит к снижению давления на 25–30 %, при этом время разрушения объекта, для приведенных в [5] испытаний сокращается от 5 до 8 часов, то есть на 60 %. При этом следует учитывать тот факт, что указанные давления от саморасширения НРВ-80 получены в идеально жестких условиях, то есть при недопущении объемных изменений последнего, при помещении состава в металлические трубы диаметром 40–50 мм с жесткой пробкой [5]. Создание таких условий при формировании шпуровых и скважинных зарядов на практике практически невозможно, поэтому реальные давления саморасширения будут меньше заявленных, что приведет к увеличению времени разрушения объектов. Кроме того, уменьшение диаметра шпурового заряда меньше приведенного в работе [5] также приведет к снижению развиваемого материалом давления. Эффективное применение невзрывчатых разрушающих материалов во многом зависит от времени затрачиваемого на один цикл операций по разрушению объекта, сокращение этого времени повлечет за собой повышение эффективности невзрывного разрушения. С позиций проведенных исследований становится очевидно, что для повышения скорости роста давления саморасширения, и соответственно сокращения времени разрушения объектов необходимо повышать температуру НРВ. Наиболее простым способом является затворение раствора водой повышенной, относительно окружающей среды, температуры, поскольку равномерное нагревание порошка технологически более сложно. В промышленном использовании это может быть достигнуто путем нагревания воды перед затворением порошка, или при невозможности нагревания – доставкой воды к разрушаемому объекту в термосах. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показывают несостоятельность сделанного предположения о возможности управления скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора подогретой водой. Так, повышение начальной температуры воды до от 2 до 50 практически не влияет на скорость реакции гидратации, материал выделяет тепло в одном режиме, а при повышении температуры воды выше 70 градусов приводит к настолько резкому росту скорости гидратации, что установить приготовленный раствор в шпур и сформировать заряд становится технологически невозможно. Для изучения влияния температуры окружающей среды на протекание реакции гидратации был проведен третий этап лабораторного моделирования. Общая постановка эксперимента совпадала с предыдущим этапом исследований. Отличие заключалось в том, что через определенное время (8 мин) после приготовления раствора и помещения его в пластиковую трубку, трубка опускалась в емкость с водой подогретой до температуры 50, 70 и 90 . Из рисунка видно, что понижение температуры от 30 до 10 градусов приводит к снижению давления на 25–30 %, при этом время разрушения объекта, для приведенных в [5] испытаний сокращается от 5 до 8 часов, то есть на 60%. При этом следует учитывать тот факт, что указанные давления от саморасширения НРВ-80 получены в идеально жестких условиях, то есть при недопущении объемных изменений последнего, при помещении состава в металлические трубы диаметром 40–50 мм с жесткой пробкой [5]. Создание таких условий при формировании шпуровых и скважинных зарядов на практике практически невозможно, поэтому реальные давления саморасширения будут меньше заявленных, что приведет к увеличению времени разрушения объектов. Кроме того, уменьшение диаметра шпурового заряда меньше приведенного в работе [5] также приведет к снижению развиваемого материалом давления. Эффективное применение невзрывчатых разрушающих материалов во многом зависит от времени затрачиваемого на один цикл операций по разрушению объекта, сокращение этого времени повлечет за собой повышение эффективности невзрывного разрушения. Для изучения особенностей работы НРВ в различных температурных полях были проведены лабораторные исследования. Известно, что увеличение объема саморасширяющихся составов на основе оксида кальция связано с протеканием реакции гидратации, сопровождающейся выделением значительного количества тепла. На первом этапе исследований изучалось изменение температуры и объемов образца НРВ во времени. Для этого в тонкостенную резиновую оболочку помещали приготовленный раствор НРВ-80 объемом 3 см3. Внутрь оболочки устанавливали электронный лабораторный термометр с точностью 0,10. После этого при помощи видеосъемки фиксировали изменение объема материала и его температуры во времени. Для изучения влияния начальной температуры приготавливаемого раствора на протекание реакции гидратации был проведен второй этап лабораторного моделирования. На первом этапе моделирования было доказано, что скорость изменения температуры материала в процессе его гидратации характеризует рост саморасширения, а соответственно и давления развиваемого им, во времени. Поэтому на втором этапе исследований производили фиксацию только температурных изменений материала. Схема эксперимента была изменена следующим образом. Приготовленный раствор НРВ-80, объемом 3 см3 помещали в пластиковую трубу, диаметром 2,5 см и длиной 8 см с одним запаянным концом, которая имитировала шпур. В стенке трубы было выполнено отверстие диаметром 3,5 мм, в которое устанавливали стержень электронного термометра. Общий вид эксперимента приведен на рисунке . Раствор НРВ приготавливали при изменении температуры воды в диапазоне от +2 до 95 oС. Начало фиксации температуры раствора производилось через 3–5 минут после затворения, что связано с технической стороной проведения эксперимента. Результаты исследований приведены на рисунке.
Рисунок 2 – Общий вид эксперимента 2 этапа исследований
Рисунок 3 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t) при начальной температуре воды при затворении порошка:
1 – 20 oС, 2 – 80 oС, 3 – 30 oС, 4 – 50 oС, 5 – 70 oС, 6 – 95 oС
Анализ полученных графиков показывает, что повышение температуры раствора НРВ на первой стадии от 19 до 42,5 oС (температура воды при затворении 2–50 oС), практически не влияет на протекание процесса гидратации, что характеризуется наложением графиков на второй и третьей стадиях работы НРВ. Начальная температура либо повышается, либо снижается до отметки 35–37 oС, после чего материал работает одинаково. Повышение начальной температуры раствора до отметки 47,6 oС и выше приводит к протеканию сразу третьей стадии работы материала, начинается активная фаза реакции гидратации с одновременным переходом воды в химически связанное состояние, сопровождающееся резким ростом температуры. При этом наблюдается мгновенный выброс значительной части материала из шпура. Анализ графиков (рис. 4, 6) позволяет сказать, что характерной точкой изменения режима работы НРВ является отметка в диапазоне 43–46 oС. При достижении этой температуры наступает третья стадия работы материала, скорость протекания реакции во всех случаях одинаковая, кривые роста температуры после отметки 43–46 oС совпадают. Таким образом, проведенные лабораторные исследования показывают несостоятельность сделанного предположения о возможности управления скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора подогретой водой. Так, повышение начальной температуры воды до от 2 до 50 oС практически не влияет на скорость реакции гидратации, материал выделяет тепло в одном режиме, а при повышении температуры воды выше 70 градусов приводит к настолько резкому росту скорости гидратации, что установить приготовленный раствор в шпур и сформировать заряд становится технологически невозможно. Для изучения влияния температуры окружающей среды на протекание реакции гидратации был проведен третий этап лабораторного моделирования. Общая постановкаэксперимента совпадала с предыдущим этапом исследований. Отличие заключалось в том, что через определенное время (8 мин) после приготовления раствора и помещения его в пластиковую трубку, трубка опускалась в емкость с водой подогретой до температуры 50, 70 и 90 oС. Температурная характеристика НРВ при описанном эксперименте редставлена на (рис. 4).
Рисунок 3 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t) при температуре окружающей среды:
1–30 oС, 2–50 oС, 3–70 oС, 4–90 oС
Полученные зависимости позволяют сделать вывод, что температура окружающей среды оказывает существенное влияние на скорость перехода материала на вторую стадию работы и скорость протекания реакции гидратации на этой стадии. Так для проведенного опыта при температуре окружающей среды 900 oС в материал в течение минуты переходит к третьей стадии работы, а при температуре 50 oС в течение 17 минут, при этом начало протекания реакции гидратации совпадает со временем изменения температурного поля, то есть совпадает с отметкой 8 минут. В то время как при нахождении образца в исходном температурном поле (30 oС) вторая стадия начинается естественным образом лишь через 18 минут после затворения, а третья через 38 минут. При этом скорость протекания третьей и четвертой стадий работы материала совпадают для всех исследуемых случаев. Таким образом, очевидным становится тот факт, что изменением температуры окружающей среды можно повлиять на температуру материала, что позволяет изменить скорость наступления и протекания второй стадии работы НРВ. Проведенные исследования показывают, что управлять процессом роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция можно путем изменения температурного режима материала на второй стадии его работы. Для предотвращения негативного эффекта снижения скорости роста и величины давления саморасширения исследуемых материалов следует исключить теплообменные процессы между стенками шпура и зарядом НРВ, что может быть достигнуто путем создания теплоизолирующей оболочки. Управление скоростью протекания реакции гидратации изменением температурного поля является достаточно эффективным, но не всегда удобным способом. Более практичным и простым является химический способ. Известно, что замедление процесса гидратации может быть достигнуто увеличением процентного содержания воды в растворе НРВ, однако при этом давление саморасширения развиваемое составом резко падает. Согласно инструкции по приготовлению материала НРВ-80 процентное содержание воды в растворе не должно превышать 30–34 %. При этом рекомендуемое инструкцией содержание воды составляет 24–26 % от общей массы состава. Для изучения изменения температурного режима при повышенном содержании воды было проведено два эксперимента, в которых процентное содержание воды составило 31 % и 43 % от общей массы состава. Так при повышении процентного содержания воды до 31 % скорость протекания первой и второй стадии работы материала не изменилась, а скорость протекания третьей стадии снизилась на 33 % . При этом максимально развиваемая температура также снизилась на 30 %. Так как температура является сигнализатором протекания реакции гидратации, можно сделать вывод о соответственном снижении максимального давления саморасширения на 30 %. При процентном содержании воды 43 % материал не перешел на третью стадию работы, при этом объем его практически не изменился. Таким образом, подтверждены известные свойства материала резко снижать давления при увеличении процентного содержания воды в растворе НРВ, и доказано, что причиной этого является замедления скорости протекания реакции гидратации. С целью снижения скорости протекания реакции предлагается добавлять в состав соли кислот, например хлорида натрия. Добавление в раствор 10 % по массе хлорида натрия приводит к замедлению протекания третьей стадии работы материала, то есть влияет на период активной фазы гидратации. При этом максимальная температура состава снижается на 6–9 %, а время протекания третьей стадии работы материала увеличилось на 30–35 % . Анализ результатов исследования приведенных на рисунке 5 позволяет сделать вывод о перспективности выбранного направления управления скоростью работы невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция химическим способом.
Рисунок 4 – Графики изменения температуры (T) невзрывчатого разрушающего материала во времени (t):
1 – при стандартном соотношении компонентов смеси, 2 – при увеличении содержания воды до 31 %, 3 – при добавлении в состав 10 % хлорида натрия , 4 – при добавлении в состав 10 % гидрокарбоната натрия
Таким образом, анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы. Для повышения эффективности и обоснования возможности применения невзрывчатых разрушающих веществ, для решения различных задач необходимо использовать закономерности изменения распорно-компрессионных характеристик НРВ в различных температурных режимах, учитывая тот факт, что скорость роста давления саморасширения, и его абсолютная величина зависят от температуры материала. В работе исследуемого материала можно выделить четыре характерные стадии. Первая стадия характерна пастообразным состоянием материала, при этом вода находится в растворе в адсорбированном состоянии и гидратация оксида кальция не происходит. Вторая стадия характеризуется переходом материала из пастообразного состояния в твердое, начинается переход воды из адсорбированного состояния в химически связанное, начало протекания гидратации оксида кальция. Третья стадия характеризуется резким скачкообразным ростом температуры во времени, что может быть объяснено протеканием активного периода гидратации материала. Вода при этом находится в химически вязанном состоянии, а материал представляет собой твердое тело. На четвертой стадии большая часть состава уже прореагировала и происходит снижение температуры материала сопровождающееся незначительным ростом объема имеющем затухающий характер. Управление скоростью роста давления саморасширения путем затворения раствора водой с температурой отличающейся от температуры окружающей среды не может принести существенного эффекта. Управлять процессом роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих материалов на основе оксида кальция можно путем изменения температурного режима материала на второй стадии его работы. Для предотвращения негативного эффекта снижения скорости роста и величины давления саморасширения исследуемых материалов следует исключить теплообменные процессы между стенками шпура и зарядом НРВ, что может быть достигнуто путем создания теплоизолирующей оболочки. Практичным и простым является химический способ управления скоростью протекания реакции гидратации. Так для снижения скорости протекания реакции предлагается добавлять в состав соли кислот, например хлорида натрия, а для повышения скорости гидратации – гидрокарбонат натрия. Следует отметить, что полученные зависимости характеризуют качественную сторону процесса и строго соответствуют только принятой постановке задачи. Характер работы НРВ в условиях шпуровых зарядов зависит не только от температурного режима, но и от жесткости системы «породный массив состав НРВ», диаметра шпура и соотношения геометрических размеров пластифицированной смеси. Для получения более надежных количественных характеристик и зависимостей необходимо проведение дополнительных исследований с варьированием указанных условий в широком диапазоне, что и является предметом дальнейших исследований.
Библиографический список
1. Патент на корисну модель UA 51574 А, Опубл. 26.07.2010 р., Бюл. № 14.
2. Заявка на патент на винахід № 2010 00705, Спосіб кріплення гірничих виробок, Дата подання заявки 25.01.2010.
3. ТУ У В.2.7–26.5–24478901–004:2007 Невибухова руйнуюча речовина. Технічні умови. – на заміну ТУ У БВ 2.7.00030937.089397. Без обмеження терміну дії. – Харьков: Госстандарт. Харьковский центр стандартизации и аэрологии, 2007–14 с.
4. Шевцов М.Р., Калякин С.О., Купенко І.В., Шкуматов О.М., Рубльова О.І. Стан технології та обґрунтування умов руйнування суцільного середовища гірських порід і будівельних конструкцій / Проблеми гірського тиску. Донецьк: ДонНТУ, 2009, № 17 – С. 226–249.
5. Деклараційний патент на винахід UA 59940 А, Опубл. 15.09.2003 р., Бюл. № 9.
6. Авторское свидетельство СССР SU 1186595 A, Опубл. 23.10.1985.
7. Коровников В.И., Стариков Г.П., Морев А.М., Коврига Н.Н. Фазовое состояние саморасширяющегося водного раствора и его разрушающее воздействие на шахтные образцы пород // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах: Сб. научн. тр. МакНИИ, 1988. – С. 81–93.