UKR | ENG | ДонНТУ | Портал магістрів ДонНТУ
Підривні роботи є одним з ефективних способів проведення гірських виробок і видобутку вугілля на вугільних шахтах України. У колишньому СРСР цим способом проходили близько 65% нарізних, підготовчих і капітальних виробок і добували 15-17 % вугілля [1]. У цей час, незважаючи на скорочення видобутку вугілля й обсягу проведення підготовчих робіт, високу вартість і енергоємність прохідницьких комбайнів і комплексів, буропідривний спосіб проведення гірських виробок все-таки залишається основним.
Однак зазначений спосіб має істотний недолік - його небезпечно застосовувати у виробках, віднесених до небезпечних за газом метаном та вугільним пилом. Так, аналіз причин аварій у вугільних шахтах, викликаних вибухами метану, а також нещасних випадків, пов'язаних з механічним впливом на заряди, які відмовили, показує, що близько 55 % з них відбувається із причин, які обумовлені фізико-хімічними властивостями вибухових матеріалів і засобів підривання, використаних при підривних роботах [2]. Таким чином, безпека буропідривного способу визначається, в основному, властивостями й параметрами застосованих ЗВР. Забезпечення безпеки підривних робіт на вугільних шахтах є складним науково-технічним завданням і здійснюється одночасно по декількох напрямках як організаційними так і технічними мірами.
В останні роки на Україні проведена велика робота, яка спрямована на підвищення безпеки й ефективності підривних робіт але, незважаючи на це, вони продовжують залишатися джерелом можливої загрози. Для проведення підривних робіт у вугільних шахтах, небезпечних за газом, або, які розробляють шари, небезпечні за вибухами пилу, «Єдиними правилами безпеки при підривних роботах» допускається застосування запобіжних вибухових речовин.
Однією із причин запалення метано- й пилоповітряних сумішей під час підривних робот є вигоряння шпурових зарядів ЗВР. Неодноразово висловлювалися припущення, що якщо усередині шпуру за будь-якими причинами замість нормальної детонації шпурового заряду відбувається його вигоряння то ймовірність запалення вибухонебезпечного середовища різко зростає [1]. Це припущення підтверджується тим, що при застосуванні ВР, у середньому на кілька десятків тонн відбувається одне вигоряння, а кількість запалень МПС від вигоряючих зарядів становить у середньому більше 20%, а останнім часом ця цифра трохи зросла [1]. Не виключається також можливість того, що горіння шпурового заряду через якийсь час може перейти у вибух і існує небезпека травмування при цьому майстра-підривника, що повернувся до вибою для огляду місця вибуху. При горінні ВР утворюється набагато більше отруйних газів (NO і СО), чим при його вибуху, що може викликати отруєння працюючих. Крім того вигоряння, навіть ті, що не призвели до аварій і травматизму, порушують технологічний процес видобутку вугілля.
Проблема зниження імовірності вигорянь шпурових зарядів ЗВР є досить актуальним питанням, рішенню якого присвячена ця робота.
Уявлення про ланцюговий характер запалення метано-повітряних сумішей були розвинені Семеновим [3] ще в 1934 р. У своїй узагальнюючій статті по ланцюгових реакціях Семенов [4] уточнює й конкретизує уявлення про ланцюгову реакцію запалення метану, а також теоретично обґрунтовує відсутність верхньої межі горіння для реакцій з виродженними розгалуженнями. Розгалуження ланцюга в реакціях цього типу відбувається за рахунок проміжного молекулярного продукту, що при розпаді може утворити два радикали. У випадку метано-повітряної суміші таким продуктом є метилгідроперекис, останній розпадається на радикали (по реакції СН3ООН > СН3ООН• + ОН•), які здатні розпочати ланцюг окислення. Розпад метилгідроперекису на радикали вимагає енергії на ~20 ккал менше енергії для активації зародження первинних радикалів з вихідних речовин. Внаслідок цього гідроперекис виявляється набагато більш ефективним постачальником радикалів, ніж сам метан. Простий розрахунок показує, що при наявності в суміші всього 0,001 % метилгідроперекису його ініціююча здатність буде в 2,5 рази більше, ніж ініціююча здатність усього вихідного метану [4].
Незалежно від робіт Семенова Одібер прийшов до аналогічних висновків. Реакція запалення метану може сенсибілізуватися або інгібуватися різними речовинами. Так, Одібер показав, що контакт із твердою поверхнею деяких речовин є найважливішим чинником виникнення запалення метано-повітряної суміші. Температура, при якій відбувається запалення метано-повітряної суміші, може бути різко знижена - аж до кімнатної - присутністю малих кількостей газів або парів. Сильно знижують температуру запалення метану двоокис азоту, аміак, этилгідроперекис, мурашина кислота, діазометан, формальдегід і ін. [4]
Андрєєв і Рабінович [4] встановили, що на запалення метано-повітряної суміші сильний вплив роблять проміжні продукти вибуху ВР. Особливо переконливою ілюстрацією впливу проміжних активних продуктів є наступний дослід, описаний Одібером [4]. Якщо метано-повітряну суміш нагріти до 375° С і кинути в неї маленький кристал нітрату амонію, то суміш запалюється. Нагрівання до 375°С не викликає окислювання метану, і єдине призначення нагрівання в цьому випадку — викликати розкладання нітрату амонію, продукти якого, як видно з результатів досліду, різко знижують температуру самозапалювання метану. Зменшення температури спалаху метано-повітряної суміші при додаванні 1% NО2 на 170°С, а при додаванні 4% NО2 — на 200°С спостерігалося також у дослідах Дубнова [5].
Розглядаючи теорію гетерогенного негативного каталізу стосовно до реакції окислювання водню киснем і до запобігання детонації при згорянні бензину у двигунах добавками сполук свинцю, Семенов [3] дійшов висновку, що імовірність обриву ланцюгів на поверхні пропорційна масі й обернено пропорційна квадрату розміру часток. Чим дрібніше частки, тим більше імовірність обриву на поверхні й тим більшою мірою придушується реакція.
Оскільки активним центром реакції окислювання метану є, за даними Кондратьєва [4], гідроксильні радикали, то негативна каталітична дія солей лужних металів пояснюється тим, що вони здатні рекомбінувати останні на своїй поверхні.
Згідно Одіберу [4], для припинення швидкого горіння метану можна блокувати механізм розгалуження, зв'язуючи метильні радикали шляхом гетерогенного розкладання метилгідроперекису в контакті із твердим тілом [4], що буде заважати гомогенному розкладанню, який веде до утворення метильних радикалів. Аналогічних поглядів дотримувався Ван Тіггелен [4], який розглядав два види інгібування запалення метану: фізичний вплив (під час зустрічі активних центрів зі стінкою) і хімічний (вивід активних центрів розгалуження - гідроксильних і метильних радикалів). Згідно з теоретичними уявленнями,було експериментально встановлено два основних типи інгібіторів запалення метану: галогенпохідні лужних металів і вуглеводнів.
Ковальский [4] ще в 1932 р. показав, що покриття стінок кварцової посудини хлоридом натрію зменшує швидкість реакції між метаном і киснем. Йорриссен [4], розробивши метод визначення дії різних тонкоподрібненних порошків, що гасить, на вибух газових сумішей, встановив, що ефективність хлоридів лужних металів зростає в ряді від літію до рубідію й падає від фтору до іоду. Відповідно до дослідів Дубнова [6], мінімальна температура спалаху метано-повітряної суміші в сферичних кварцових посудинах (стінки яких промивалися розчинами хлоридів лужних металів) зростала в ряді хлоридів від натрію до цезію, виключення представляв хлорид літію. Підвищення температури спалаху пояснюється тим, що негативні каталізатори руйнують або виводять із зони активні центри, наприклад гідроксильні радикали. Механізм інгібуючої дії галогенвуглеводнів, відповідно до роботи [4], обумовлений зменшенням дифузії активних центрів екзотермічних реакцій поширення, а також придушенням реакцій розгалуження при окислюванні метану.
Виходячи з цього, найбільш ефективними інгібіторами запалення метану повинні бути, очевидно, органічні солі лужних металів, головним чином ароматичні. У цьому випадку «металева» частина молекули буде виконувати свою каталітичну роль, а органічна - роль інгібітору.
Поступовий розвиток теоретичних уявлень і різноманіття вимог, що ставяться до ВР практикою, призвело до того, що ці перші найпростіші ВР поступилися місцем сучасним запобіжним ВР (ЗВР), які являють собою багатокомпонентні системи і основні принципи побудови яких полягають у наступному.
Перший принцип полягає у зниженні енергії (теплоти) вибуху до заданих меж. При більш високій теплоті гази вибуху мають підвищену температуру, що збільшує імовірність спалахування газопилоповітряної суміші.
Другий принцип передбачає хімічний вплив на газопилоповітряну суміш, тобто її інгібування при змішуванні з розширюваними продуктами вибуху, що розширюються, зменшуючи тим самим імовірність виникнення і розвитку ланцюгової реакції спалахування за рахунок обриву ланцюгів.
Обидва принципи реалізуються введенням до складу сумішевих ВР порошкових речовин з високою хімічною активністю і порівняно високим питомим теплопоглинанням, що одержали назву полум'ягасника. Використання ефекту негативних каталізаторів по відношенню до реакції окиснювання метану й інших горючих шахтних газів чи продуктів газифікації вугільного пилу підвищує припустимий рівень енергетичних характеристик ВР (при заданому рівні запобіжності). Найбільш придатними для такої ролі виявилися хлориди у першу чергу лужних металів (NaСl, КСl). Вони знижують температуру вибуху внаслідок поглинання теплоти на своє нагрівання, плавлення і випаровування (кожен відсоток добавки знижує температуру вибуху приблизно на 1,5%). Крім того, ці речовини, перемішуючись з МПС, гальмують спалах метану, виконуючи роль інгібітора. Тонке подрібнювання полум'ягасників підвищує за¬побіжні властивості ВР, але знижує детонаційну здатність. Крупне подрібнювання дає протилежні результати. Тому полум'ягасник уводять до складу ВР у вигляді гранул розміром 0,5...2 мм з тонкодисперсних часток.
Третій принцип зводиться до застосування як окиснювача аміачної селітри, оскільки під час вибуху, з одного боку, вона виділяє багато газоподібних продуктів (0,976 м3/кг) і тому збільшує працездатність ВР, а з іншого - дає мало теплоти (1400 кДж/кг) і тому має низьку температуру вибуху (1623 К).
Саме на цих трьох принципах створені запобіжні ВР класів III і IV. Розробки в цьому напрямі показали, що, дотримуючись їх, можна надати вибуховій речовині будь-який рівень запобіжності. Однак введення значної кількості полум'ягасника до складу ВР істотно знижує її працездатність.
Четвертим принципом є створення такої вибухової системи, при якій тонкодисперсний полум'ягасник утворювався б тільки в процесі її вибухового перетворення. У цьому випадку наявність полум'ягасника в продуктах вибуху не виливає на потенційну теплоту вибуху.
П'ятий принцип - селективної детонації, згідно з яким вибухові механічні суміші повинні являти собою саморегульовані системи: теплота їхнього вибуху змінюється залежно від умов підривання. На практиці селективність детонації забезпечується тим, що ВР створюють із двох складових частин, що різко відрізняються між собою за своєю хімічною активністю (реакційною здатністю): одна (звичайно нітрогліцерин - до 15%) легко детонує за будь-яких умов; інша частина являє собою іонообмінну пару солей, наприклад, суміш натрієвої чи калієвої селітри з хлористим амонієм. Такий склад ВР призводить до того, що у найнебезпечних умовах підривання (при торцевому чи бічному оголенні заряду) вибухає тільки нітрогліцерин. Решта ВР відіграє роль полум'ягасника. У результаті виділяється мало теплоти (приблизно 50% розрахункової) і гази вибуху виявляються нагрітими недостатньо для спалахування метану. Під час вибуху в замкнених умовах виділяється уся потенційна енергія за рахунок вступу в реакцію компонентів з меншою реакційною здатністю, тобто іонообмінної пари солей. Так, під час вибуху 1 кг вугленіта Е-6 утвориться 317 г хлориду натрію. За принципом селективної детонації побудовані промислові ВР V...VII класів [7].
В практиці застосування промислових ВР зустрічаються випадки нестабільного підривного горіння зі швидкостями в десятки й сотні метрів на секунду. Таке вибухове перетворення називають вигорянням, або дефлаграціею ВР. Воно особливо небезпечно для шахт, небезпечних за газом або пилом, тому що може викликати підземні газові й пилові вибухи.
Горіння запобіжних ВР небезпечно з тієї причини, що більш повільна в порівнянні з детонацією взаємодія продуктів горіння (полум'я) з вибухонебезпечним середовищем при досить високій їхній температурі (800—1000°С) створює умови запалення середовища.
Велика небезпека вигоряючих зарядів ВР пояснюється тим, що процес горіння заряду ВР відбувається протягом тривалого часу (у деяких випадках, що спостерігалися на практиці, горіння тривало кілька десятків хвилин).За цей час із відбитої вибухом гірської маси може виділитися кількість метану, достатня для утворення вибухонебезпечної концентрації в привибійному просторі.
Однією з причин горіння ВР у вугільних шахтах Дотріш [4] вважає можливість випадкового утворення в шпурі гомогенної суміші ВР і вугільного пилу (наприклад, гризунафталіт-куш не горить, а його суміш з вугільним пилом горить). Більш детальне вивчення причин горіння ВР, проведене Одібером і Дельмасом [4], показало, що утворення гомогенної суміші ВР із вугіллям не є необхідною умовою ні для порушення, ні для поширення горіння. Контакт з вугільним пилом - вже достатня умова поширення горіння на повітрі гризудинаміту й гризунафталіту-куш. У вугільних шахтах порушення горіння ВР може бути наслідком осічки в поширенні детонації. У роботі [8] була зроблена перша спроба вивчення здатності до горіння запобіжних ВР. За міру здатності ВР до горіння запропоновано приймати мінімальну температуру, при якій горіння може поширитися на повітрі. Ця температура становила 150°С для гризунафталіта-куш (95% нітрату амонію і 5% ди- або тринітронафталіну), 110°С-для гризудинаміту звичайного (87,5% нітрату амонію і 12,5% желатинованного нітрогліцерину) і 80°С-для гризудинаміту з хлоридом натрію. Введення до складу ВР нітрогліцерину підвищувало здатність до горіння, аналогічний вплив робило додавання NаСl.
При підвищеній температурі ВР горіли і без контакту з вугільним пилом. Загасання детонації, на думку Одібера і Дельмаса [8], може мати місце по двох причинах:
Відповідно до Андрєєва [9], можливість вигоряння ВР залежить в основному від двох факторів: детонаційної здатності й здатності до горіння, а також ущільнення ВР. Переважний вплив належить детонаційній здатності, оскільки передумовою горіння є відмова детонації. Відмова детонації як першопричина вигоряння розглянута і у роботі Дубнова [5].
Причиною вигоряння ВР у шпурах можуть бути вугільні пересипання між патронами, повітряні проміжки, переущільнення за рахунок вибуху в сусідніх шпурах. Таким чином, однією з причин, які приводять до вигоряння ЗВР, може бути ущільнення ВР в шпурі як у ході підготовчих робіт, так і в момент проходження детонації внаслідок канального ефекту, що вперше був вивчений і описаний Урбанським [4]. Сутність його полягає в тім, що у випадку наявності зазору між стінками шпуру і зарядом ВР загасання детонації відбувається внаслідок стиску та переущільнення шару ВР ударною хвилею, яка випереджає хвилю детонації по каналу. Трохи інша точка зору висловлюється в роботі [10] -зупинка детонації, на думку авторів цієї роботи, відбувається за рахунок проникнення газів усередину заряду. Згідно Дрьоміну й Ванден Бергу, основна причина зупинки хімічної реакції в стислій зоні лежить у механізмі ініціювання хімічної реакції у твердій ВР ударною хвилею.
В переважній більшості випадків, якщо причиною спалаху (вибуху) метаноповітряної суміші було вигоряння заряду ВР, то воно завжди починалося у патроні-бойовику, тобто першопричиною було неякісне ініціювання заряду ВР електродетонатором. Це не означає, що у більшості випадків виключаються раніше встановлені причини вигоряння зарядів, тобто порушення нормальної детонації патронів ВР, утворення повітряного проміжку між патронами в шпурі, утворення пересипань або заповнення проміжків між патронами буровим (вугільним або породним) дріб'язком, ущільнення ВР у результаті впливу на нього сусідніх шпурових зарядів, що вибухають, прояв канального ефекту, погіршення детонаційних властивостей ВР у результаті порушення рецептури состава, зволоження й т.і.
В 30-і роки XX століття вивчення вигоряння ЗВР проводили французькі дослідники Одібер і Дельмас, які, з огляду на виводи Дотріша, розробили новий метод відтворення вигорянь патронів ЗВР. Цей метод полягав у тім, що патрони ВР оточувалися вугільною оболонкою, а на торцевій поверхні патрона ВР розташовувався нагрівальний елемент, який робив підпалювання ВР. Одібер і Дельмас встановили, що достатніми умовами вигоряння заряду є контакт ВР із вугільним пилом і температура нагрівання поверхні ВР, яка дорівнює 80-150°С.
Пізніше французький учений Сарторіус вивчав можливість вигоряння зарядів ЗВР від підривного імпульсу. Він встановив, що цілком доброякісна ВР здатна вигоряти, якщо між окремими патронами заряду в шпурі при їхній детонації були повітряні проміжки певних розмірів. Надалі Галаджий і Бондаренко [11] удосконалили цей метод. Він полягав у наступному, в сталеву мортиру довжиною 1300 мм, що має суцільний канал діаметром 55 мм, поміщають досліджуваний заряд, оточений вугільною оболонкою, і по обидва боки герметично закривають металевими пробками. Підпалювання заряду здійснюють від підривного імпульсу, який створювався вибухом бойовика-амоніта ПЖВ-20 масою 0,025 кг. Основним показником, що визначає здатність ЗВР до горіння від підривного імпульсу, прийнята відстань, при якій зафіксовано 50% передачі горіння. Надалі цей метод використовували Дубнов і Романов [12], що проводили дослідження з вивчення умов порушення горіння ЗВР від підривного імпульсу. Аналогічні дослідження проводилися Плантом в Англії.
Однак методи підпалювання зарядів ЗВР від створюваного патроном-бойовиком підривного імпульсу не одержали подальшого розвитку. З одного боку це пов`язано з тим, що випробування були сполучені з великими технічними труднощами, пов`язаними з поганою відтворюваністю результатів дослідів, більшим числом дослідів, високою трудомісткістю. З іншого боку, Галаджий на підставі результатів досліджень робить висновок, що "схильність" ЗВР до підпалювання за цим методом не можна однозначно характеризувати відстанню передачі горіння від патрона-бойовика, тому що вигоряння залежить від набагато більшого ряду факторів. Аналогічний висновок роблять і Дубнов з Романовим, стверджуючи, що метод оцінки схильності ВР до вигоряння повинен зводитися до того, щоб тим або іншим способом одержати необхідний ступінь і характер деформації досліджуваного заряду й потім випробувати його на здатність до горіння.
У Бельгії й Німеччині випробування на стійкість ЗВР проти вигоряння проводять за способом Одібера - Дельмаса, що дороблений у Німеччині Аренсом [13] (рис. 1), а в Бельгії - Гоффардом. Бельгійський спосіб трохи відрізняється від німецького й полягає в наступному. Заряд із двох стандартних патронів оточують оболонкою з вугільного пилу товщиною 1 см і встановлюють вертикально в сталевій трубі довжиною 0,35 м і внутрішнім діаметром 0,052 м. З одного боку труба закрита пробкою на різьбленні, а з іншого є сопло, діаметр якого можна змінювати. Нагрівальний елемент поміщений у верхній шар ЗВР, що являє собою запальник масою 20 г: 19 г випробовуваного ЗВР і 1 г вугільного пилу. Елемент нагрівають протягом 3-х хвилин. Наважка ЗВР згоряє й при фіксованому діаметрі сопла визначають довжину поширення горіння в патроні. У Бельгії прийнятий діаметр сопла 1,5 мм, а в Німеччині [13] визначають мінімальний діаметр сопла (діаметр сопла варіюється від 2 до 6 мм), при якому горіння по заряду поширилося не більш, ніж на 1 см. Крім цього способу використовують «спосіб термостата». У даному способі патрон, попередньо підігрітий до 200°С, поміщають у термостат з кізельгуру. Під час витримки патрона протягом 2-х годин у термостаті температура патрона не повинна підніматися більш ніж на 20-40°С. У цьому випадку вважається, що ЗВР має стійкість проти вигоряння. У противному випадку - вважається навпаки.
У Франції горючість ЗВР визначають у короткій мортирі діаметром 0.038 м, яка у передній частині герметизується мідною пластиною товщиною 0,5-2 мм, а позаду-спеціальною головкою. Випробуваний патрон ВР діаметром 30мм і довжиною 0,2 м підпалюють чорним порохом, масу наважки якого змінюють від 1 до 12 г. Між наважкою пороху й ВР передбачена відстань 0,15 м. Знаходять наважку, що не дає запалення ВР, і наважку, при якому відбувається запалення, і визначають середнє арифметичне. Таким чином, більшість методів визначення стійкості проти вигоряння, що застосовуються в Англії, Бельгії, Німеччині, СРСР і Франції, засновані на здатності заряду ЗВР підпалюватися від теплового джерела. Вважається, що необхідною передумовою будь-якого вигоряння ЗВР є порушення детонації заряду ЗВР внаслідок зниження або навіть втрати його детонаційної здатності. Зниження детонаційної здатності заряду ЗВР може відбуватися в результаті наступних причин: недостатнього ініціюючого імпульсу, динамічного переущільнення патронів, прояву канального ефекту, зволоження ЗВР в обводнених шпурах, злежування. Недостатність ініціюючого імпульсу пов'язана з неякісними детонаторами, розсуненням патронів у шпурі, наявністю пересипань із вугільного пилу між патронами, незадовільною якістю закладення торців патронів при їхньому виготовленні. Ще одним важливим фактором, що впливає на здатність ЗВР вигоряти, є наявність безпосереднього контакту між ЗВР і вугільним пилом у шпурі. Тому всі методи визначення стійкості проти вигоряння враховують цю особливість.
Тепер розглянемо методику визначення стійкості проти вигоряння прийняту в Україні. У її основу покладений метод визначення підпалювання ЗВР [14,15], що був розроблений МакНДІ разом із МХТІ ім. Д. І. Менделєєва. Ця методика також ґрунтується на підпалюванні випробуваного ВР від теплового імпульсу під час згоряння певної наважки складу, що запалюється. Випробування проводять у герметичній манометричній бомбі. Джерелом запалювання ВР служить наважка, що складається з 50% аміачної селітри і 50% колоксиліну, яка поміщена в гільзу із цигаркового паперу. Достоїнством цього складу є те, що при горінні він утворює продукти згоряння, аналогічним продуктам вибуху основних промислових ВР. Досліджуване ВР поміщають в оболонку з вугілля - це важливо, оскільки матеріал оболонки значно впливає на підпалювання ВР тобто на результати випробування. Критерієм оцінки запалювання випробуваного ВР служить величина наважки складу, що запалюється. достатня для підпалювання цього ВР. Чим більше маса цього складу, тобто вище температура й тиск у бомбі, які створюються згорянням наважки складу, що запалюється, необхідні для підпалювання ВР, тим відносно менша схильність цього ВР до вигоряння. Методика МакНДІ досить повно моделює процес підпалювання патрона ВР у шпурі з непорушеною герметизацією зарядної камери у випадку загасання детонації (або ускладнення передачі її через пробку породи, вугілля або повітряний проміжок) шпурового заряду, так і у випадку аномального спрацьовування електродетонатора в патроні-бойовику.
Установка МакНДІ [16] для визначення підпалювання промислових ВР (рис.2) являє собою порожній сталевий циліндр (1) - манометричну бомбу, із внутрішнім каналом діаметром 35 мм і довжиною 165 мм (рис.2). Товщина стінок бомби становить 27.5 мм, вільний обсяг 120-150 см3. Циліндр має верхню (2) і нижню (3) кришки, які за допомогою гідродомкрата вдавлюються усередину бомби й герметизують її. Герметизація бомби досягається також за рахунок гумових (10) і фторопластових ущільнюючих кілець, закріплених на кришках бомби. На верхній кришці бомби розміщені два латунних електроди (4), до яких кріпиться твердий місток накалювання (5), вставлений в гільзу із цигаркового паперу, у якій перебуває запалювальний склад (6), що відрізняється від складу МХТІ тим, що замість піроксиліну №1 у складі використається колоксилін марки «НХ». Гравіметрична щільність складу в гільзі близько 0.5 г/см3. Досліджуваний заряд являє собою шашку ВР діаметром 34 мм і висотою 10.7 мм. Для забезпечення необхідної щільності ВР змінюється маса шашки, а її розміри залишаються незмінними.
При визначенні підпалювання досліджуване ВР розташовується в сталеве складання (рис.2). Для цього шашка встановлюється в металевий циліндр (3) і в зазор між шашкою й стінкою циліндра засипається вугільний пил, що потім спресовується спеціальним пуансоном і утворює вугільну оболонку для досліджуваного ВР (імітація вугільного вибою). Замість вугілля можна використати породне бурове борошно, тобто в цьому випадку ВР буде оточено породною оболонкою (імітація чистопорідного вибою). Для випробування використовується два види складань. У складаннях першого виду оболонка щільно контактує із шашкою ВР, а в складаннях другого виду між оболонкою й шашкою ВР є зазор величиною 4 мм. При такому зазорі досягається геометрична подоба діаметрів заряду і шпуру в умовах даного випробування й у натурних умовах (при відсутності деформації шпурів через гірський тиск). Після спорядження складання встановлюється на нижній кришці бомби.
Підпалювання складу, що запалюється, виробляється за допомогою шпалки від електрозапальника із жорстким кріпленням містка накалювання, пропускаючи через нього електричний струм силою 0,42 А.
Зміна тиску в манометричній бомбі реєструється самописом (15) і осцилографом (16) через тензодатчик (13), які вгвинчені в корпус бомби, і тензостанцію (14). При цьому на електронному осцилографі фіксується швидко мінливий тиск при згорянні запальника, а самопис записує порівняно повільний процес зміни тиску при згорянні ВР.
Температура бомби в процесі випробування контролюється спиртовим або електронним термометром. Початкова температура бомби підтримується в межах 25±2,5°С, для чого корпус бомби підігрівається електричним калорифером або охолоджується вентилятором.
Проводять не менш 25 випробувань методом «вгору-униз», змінюючи рівень маси складу, що запалюється на одиницю. Під час випробування визначають масу наважки запальника, що викликає 50% запалень випробовуваного зразка ЗВР - П50.
Стійкість шпурових зарядів ЗВР проти вигоряння характеризує показник підпалювання ВР – П50. Всі ЗВР мають досить високий показник П50, що, як правило, більший або дорівнює нормованому значенню П50, що становить 1,2 г.
Створення запобіжного середовища (ЗС) під час ведення підривних робіт забезпечує вибухозахист гірської виробки шляхом запобігання вибуху вибухонебезпечного середовища від джерел, якими можуть бути заряди, що детонують або вигоряють. У цей час ЗС у привибійній частині гірської виробки створюється підривним розпиленням води або порошку інгібітору з поліетиленових посудин і інгібіторною набійкою шпурів. Досвід підривних робіт показує, що створення запобіжного середовища у виробці залежить від ефективності використаних засобів вибухозахисту й людського фактора, що зводиться до безумовного їхнього застосування. Однак часто засоби вибухозахисту не застосовуються. З огляду на це, створення запобіжного середовища у вибої гірської виробки повинне забезпечуватися застосованими при підривних роботах ЗВР. Це напрямок новий і базується на застосуванні в складах ЗВР ефективних солей інгібіторів реакції окислювання метану киснем повітря. Сучасні ЗВР у своєму складі містять такі інгібітори. Тому в дослідному штреку МакНДІ були проведені дослідження із встановлення можливості створення ЗС газодисперсною сумішшю із продуктів вибуху ВР і солей інгібіторів. Результати цих досліджень наведені в табл.1.
Отримані результати показують, що створення ЗС зарядами ЗВР можливо, однак виявилося, що ЗВР не всіх класів запобіжності його можуть створити. Так, ЗВР III...V класів не можуть створити ЗС у вибої виробки, тому що маса їхніх граничних зарядів набагато менше маси зарядів ВР, які створюють газодисперсну невибухову суміш із продуктів вибуху, інгібітору, метану й повітря. На відміну від ЗВР цих класів, ЗВР VI-VII класів успішно створюють ЗС, тому що мають маси їхніх граничних зарядів набагато більше мас зарядів, необхідних для флегматизації МПС інгібітором внаслідок його високої концентрації в продуктах вибуху.
В Англії ЗВР, які стійкі проти вигоряння, побудовані із застосуванням способу, що включає введення спеціальних солей - антідефлаграторів, у якості яких використовують солі мурашиної кислоти (калію, натрію, кальцію). Подані солі легко розкладаються під впливом тепла з більшим його поглинанням. У Франції використовують аналогічний спосіб, тільки в якості легкорозчинних солей використовують гідрокарбонати натрію або калію.
У Бельгії спосіб підвищення стійкості ЗВР проти вигоряння більш досконалий, хоча й заснований на уведенні легкорозчинної хімічної сполуки - оксалату амонію. Відмінність цього способу від вищенаведених полягає в тому, що оксалат амонію при розкладанні дає горючі продукти, які при їхньому окислюванні виділяють енергію. Цей спосіб передбачає такий механізм введення оксалату амонію до складу ЗВР, у результаті якого при відмові детонації заряду тепловбирання оксалатом амонію досить для запобігання горіння ЗВР, а у випадку детонації оксалат амонію відіграє роль пального, що при окислюванні виділяє енергію. У результаті в цих ЗВР поряд з високою стійкістю проти вигоряння зберігається висока працездатність.
У Німеччині розроблений спосіб підвищення стійкості проти вигоряння, заснований на уведенні в іонообмінну пару солей NаNО3-NH4Cl карбонату кальцію (магнію). Суть цього способу в наступному: хлористий амоній під впливом тепла легко возгоняється й дисоціює по реакції:
У результаті цієї реакції кисень, що виділяється, окисляє аміак з більшим виділенням тепла, що приводить у випадку порушення детонації до стійкого горіння ЗВР. Для того, щоб виключити цю реакцію, у ЗВР вводиться карбонат кальцію, що реагує із хлороводнем і при цьому розкладається з більшим поглинанням тепла, чим охолоджує продукти реакції й запобігає горінню заряду.
Ідея роботи полягає в підвищенні безпеки вибухових робіт шляхом зниження підпалювання ЗВР шляхом введення до їх складу різних добавок, наприклад оксалатів, форміатів, гідрокарбонатів, карбонатів, тобто солей інгібіторів реакції окислювання метану киснем повітря; покращення їх детонаційної здатності; виключення стаціонарного горіння зарядів в шпурах.
Дослідження впливу цих добавок будемо проводити шляхом введення їх до суміші аміачної селітри та вугільного пилу.
Готуємо суміш з аміачної селітри щільної роздрібненої та вугільного пилу (90/10) і суміш з аміачної селітри марки ЖВК та вугільного пилу також (90/10). Зважуємо наважки масою 2 г для кожної з сумішей на технічних вагах. Поміщуємо одну з наважок до установки, яка зображена на рис. 3 та випробовуємо на підпалювання, при цьому визначаємо час початку появи диму, плавлення, горіння і час завершення горіння. Отримані результати заносимо до табл. 2. Теж саме робимо для іншої суміші, а результати заносимо до табл. 3.
| діаметр проволоки, мм | 0,69 |
| діаметр витку, мм | 3,6 |
| довжина спіралі L, мм | 6.5 |
| кількість витків | 7 |
| діаметр колби d, мм | 15 |
Під час дослідження на підпалювання сумішей аміачної селітри з вугільним пилом був отриманий час початку появи диму, початку плавлення, горіння і час закінчення горіння. Також було визначено середнє значення цих процесів. Так для суміші аміачної селітри щільної роздрібненої з вугільним пилом, як і для суміші аміачної селітри марки ЖВК з вугільним пилом отримані дані виявилися більш менш стабільними для кожного з процесів, що свідчить про непогану відтвореність результатів. При цьому за середніми значеннями часу процесів, які спостерігалися під час проведення роботи можна сказати, що для суміші NH4NO3 щільної роздрібненої з вугільним пилом він більше, ніж для суміші NH4NO3 марки ЖВК з вугільним пилом для кожного з процесів.
У даній роботі було розглянуто актуальність проблеми, яка пов'язана з вигорянням зарядів ЗВР, які використовують під час ведення буропідривних робіт. Також наведено декілька теорій запалення метано-повітряних сумішей і механізми їх інгібування. Виходячи з цього, найбільш ефективними інгібіторами запалення метану повинні бути, очевидно, органічні солі лужних металів, головним чином ароматичні. Також досить придатними для такої ролі виявилися хлориди у першу чергу лужних металів (NaС1, КС1). Наведено основні принципи побудови запобіжних ВР.
Що стосується причин вигоряння запобіжних ВР, то до них насамперед слід віднести:
Розглянуто механізм підпалювання ВР і вигоряння шпурових зарядів та методи визначення стійкості ЗВР проти вигоряння, які використовуються за кордоном і на Україні. Були запропоновані напрямки підвищення стійкості ЗВР проти вигоряння, які полягають у введенні до їх складу інгібіторів реакції окислювання метану киснем повітря.
1. Толстых К.С., Бутуков А.Ю. Пути дальнейшего снижения травматизма при взрывных работах в угольных шахтах // Уровень, динамика и причины производственного травматизма на угольных шахтах при ведении взрывных работ / Сб. научн. тр. МакНИИ. - Макеевка - Донбасс: МакНИИ. - 1983. - с. 3-5.
2. Бутуков А.Ю., Толстых К.С., Пузыревич А.С. Травматизм при взрывных работах и обращении с ВМ // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах / Сб. научн. тр. МакНИИ. - Макеевка - Донбасс: МакНИИ. - 1986. - с. 93-98.
3. Семенов Н. Н. Цепные реакции. М., Госхимиздат. - 1934, с. 376.
4. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1976. - 264 с.
5. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра. - 1973. - 320 с.
6. Дубнов Л. В. Уголь, 24, № 2, 17. – 1949.
7. Шевцов Н. Р.,Таранов П. Я., Левіт В. В., Гудзь О. Г. / Руйнування гірських порід вибухом: Підручник для вузів. – 4-е видання перероб. і доп. – Донецьк: ТОВ Лебідь, 2003. – 272 с.
8. E. Audibert, L, Delmas. Ann. des Mines, 5, 280. – 1936.
9. Андреев К. К., Хотин В. Г. Сб. «Выгорание ВВ в шахтах и меры борьбы с ним». М., Госгортехиздат, 1963. с. 6.
10. M. Giltaire, G. Tardif. Explosifs, 15, 113. – 1962; J. Cocu, M. Giltaire, D. Seetman. Colloques du C. N. R. S. Gif – sur – Yvette. Septembre 1961, p. 23 – 26.
11. Галаджий Ф.М., Бондаренко В.Н. Определение склонности предохранительных ВВ к поджиганию от взрывного импульса // Борьба с ядовитыми газами при взрывных работах и новые методы испытаний промышленных ВВ: Сб. «Взрывное дело», № 68/25. - М.: Недра. - 1970. - с. 131-134.
12. Дубнов Л.В., Романов А.И. О методиках оценки склонности предохранительных ВВ к выгоранию // Борьба с ядовитыми газами при взрывных работах и новые методы испытаний промышленных ВВ: Сб. «Взрывное дело», № 68/25. - М.: Недра. - 1970. - с. 127-131,
13. Аренc Г. Методы испытания взрывчатых веществ, применимых в угольных промышленности, при преимущественном внимании к устойчивости против дефлаграции предохранительных и водонаполненных ВВ // Материалы XIV Международной конференции НИИ по безопасности работ в горной промышленности. - Донецк: доклад Е-9. - 1971. - 20 с.
14. Кондриков Б.Н., Козак Г.Д. Изучение воспламеняемости предохранительных ВВ в присутствии угля // Безопасность взрывных работ в шахтах: Сб. «Взрывное дело», № 72/29. - М.: Недра. - 1973. - с. 217-225.
15. Зенин В.И., Казачков В.С. Метод определения устойчивости предохранительных ВВ против выгорания // Повышение эффективности и безопасности взрывных работ: Сб. «Взрывное дело», №84/41. - М.: Недра. - 1982. - с. 97-103.
16. Технические требования к патронированным ВВ V и Vl классов с повышенной устойчивостью против выгорания и методики их испытаний - Макеевка – Донбасс: МакНИИ. - 1984. - 91 с.
© ДонНТУ, Морозов М. В., 2008