ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И СОВРЕМЕННАЯ КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В ОПАСНЫХ УСЛОВИЯХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ

Источник: Сборник трудов кафедры "СШ и ПС", ДонНТУ 2005

Угольные шахты Донбасса разрабатывают тонкие пласты с большим количеством тектонических нарушений и слабыми боковыми породами. Средняя глубина разработки превышает 720 м, а тридцать шахт работают на глубине 1000…1400 м. Около 90% шахт являются газовыми, 60% - разраба- тывают пласты опасные по взрывам пыли, 45% - опасные по внезапным вы- бросам, а 25% - опасные по самовозгоранию угля.
Современный уровень технологии строительства шахт и подземных сооружений характеризуется, с одной стороны, применением энергоемкого механизированного комплекса оборудования, состоящего из дорогих про- ходческих комбайнов, а с другой стороны, применением относительно деше- вой технологии разрушения горного массива за счет энергии взрыва взрыв- чатых веществ (ВВ). На протяжении почти пятидесяти последних лет неглас- ное соревнование этих двух технологий разрушения горных пород показыва- ет, что, несмотря на имеющиеся в ряде случаев преимущества механизиро- ванных комплексов при проведении подготовительных выработок над взрывными работами, в целом они экономически не компенсируются вслед- ствие их огромной первоначальной стоимости и большого энергопотребле- ния. Поэтому, учитывая высокую эффективность взрывного способа разру- шения пород любой крепости, их простоту и надежность, которая сочетается с высокой безопасностью работ по отношению к взрывоопасной среде, мож- но утверждать, что данная технология разрушения горного массива будет ос- таваться еще долгое время преобладающей над способом механического раз- рушения пород с помощью машин. Актуальность работ по развитию и со- вершенствованию взрывных технологий в обозримом будущем заключается не только в их высоком уровне энергосбережения и сокращения расхода электроэнергии, но и в том, что, например, разработка выбросоопасных угольных пластов вообще ставит под большое сомнение возможность приме- нения механизированных комплексов при добыче угля, и проведении подго- товительных пластовых выработок.
Вместе с тем применение ПВВ технологически взаимосвязано со всеми основными элементами, составляющими процесс проведения взрывных ра- бот. К ним относятся взрывчатые вещества, средства их инициирования и способы взрывания, а также забойка шпуров, конструкция шпурового заряда, напряженность разрушаемого взрывом горного массива, наличие газа метана и взрывчатой угольной пыли. До настоящего времени эти вопросы в ком- плексе проблем не были глубоко рассмотрены и поэтому требуют научного обоснования и экспериментального подтверждения.
Основные направления повышения безопасности и эффективности предохранительных взрывчатых веществ при взрывных работах. Практи- ческое значение при разрушении горных пород имеют две формы работы взрыва ВВ, а именно: бризантность и фугасность. Исторически сложилось так, что создание безопасных высокопредохранительных ВВ привело к тому, что данные ВВ уступают по работоспособности ВВ непредохранительного типа, так как их продукты взрыва содержат конденсированную (негазообраз- ную) фазу, представленную солями-ингибиторами, которые вводят в ПВВ для обеспечения им необходимого уровня предохранительных свойств. Чем больше ингибитора содержится в продуктах взрыва ВВ, тем выше его уро- вень предохранительных свойств, но ниже работоспособность. Одно время даже считали, что высокопредохранительные ВВ нельзя эффективно приме- нять при взрывных работах. Это ошибочное мнение, которое уже в настоя- щее время отвергнуто на практике успешным их применением, а в будущем, за счет совершенствования условий и способов инициирования и взрывания, фактической разницы между эффектом взрыва ПВВ и непредохранительных ВВ в обычных условиях взрывания не будет. Единственным недостатком бу- дет только увеличение их удельного расхода на разрушение обуренной поро- ды, но этот недостаток должен быть устранен значительным их удешевлени- ем. Удешевление ПВВ будет обеспечиваться, прежде всего, отказом от сен- сибилизаторов из дорогостоящих бризантных ВВ. При этом детонационная способность зарядов ПВВ в шпурах будет обеспечиваться за счет линейного инициирования детонации безкапсюльной системой взрывания. Такой нетра- диционный подход в комбинации взаимодействия между средством иниции- рования и зарядом ПВВ обеспечит резкое возрастание работоспосбности ВВ, т.к. детонация в заряде возбуждается практически одновременно во всех точ- ках заряда и выделение энергии ВВ при взрыве не зависит от его детонаци- онной способности, а зависит от площади контакта ВВ с инициатором. Спо- соб линейного инициирования детонации заряда ВВ может быть в 1,5 раза эффективней даже способа обратного инициирования шпурового заряда по работе, производимой продуктами взрыва заряда ВВ.
ПНе исчерпала своих возможностей как средство повышения эффектив- ности действия взрыва ВВ и забойка шпуров. Это прежде всего относится к гидровзрыванию заряда ВВ в шпурах. Вода в шпурах заполняет свободное пространство вокруг заряда ВВ, включая трещины горного массива. В этих условиях при детонации ВВ к.п.д. взрыва достигает практически единицы, а вода выступает рабочим телом, которое сжимается, как и газообразные про- дукты взрыва ВВ, до высокого давления, а затем, расширяясь совместно с продуктами взрыва, значительно увеличивает эффект действия взрыва. Гид- ровзрывание зарядов ВВ позволяет резко сократить расход ВВ более, чем в 2 раза по сравнению с обычным «сухим» взрыванием. Взрывание зарядов ВВ в воде абсолютно безопасно по отношению к взрывоопасной среде, что прак- тически снимает принципиальные различия между предохранительными ВВ и ВВ непредохранительного типа как по безопасности, так и по работоспо- собности. Учитывая это, взрывную технологию разрушения горных пород путем гидровзрывания зарядов ВВ необходимо рассматривать как наиболее перспективную в обозримом будущем.
В этом плане следует особо подчеркнуть, что гидродинамическое рых- ление угля и пород выбросоопасных пластов резко снижает, а в ряде случаев вообще предотвращает внезапные выбросы. На это указывают результаты исследования по изучению гидродинамического воздействия на породы с це- лью их разрушения и дегазации, которые проведены как у нас, так и за рубе- жом. Доказано, что высоконапорное нагнетание жидкости с импульсным ре- жимом передачи давления на массив вызывает в нем образование и прорас- тание трещин за счет растягивающих напряжений. Вполне понятно, что гид- ровзрывание зарядов ВВ является самым эффективным способом гидрообра- ботки пластов. Поэтому этот способ взрывания ВВ на выбросоопасных пла- стах будет не только разрушать горный массив, но и путем интенсивного гидродинамического рыхления на большую глубину в массиве создавать вы- брособезопасные зоны, которые становятся безопасными в отношении гор- ных работ на таких пластах.
Безопасность применения ПВВ определяется, с одной стороны, их чув- ствительностью к механическим воздействиям (ударам, трению, разбури- ванию), а с другой стороны, антигризутностью, т.е. способностью воспламе- нять взрывоопасную среду.
Последний из перечисленных процессов, в свою очередь, зависит от уровня их предохранительных свойств – величины предельного заряда ПВВ, невоспламеняющего взрывчатые МВС и ПВС, и от устойчивости ПВВ про- тив выгорания в шпуровом заряде, определяемая величиной поджигаемости ПВВ. На сегодняшний день перечисленные факторы, определяющие пара- метры безопасности при применении ПВВ в особо опасных условиях уголь- ных шахт, поддаются управлению и корректировке до желаемого уровня. Безопасность взрывания ПВВ во взрывоопасной атмосфере шахт достигается выбором необходимой взрывоподавляющей концентрации ингибитора (хи- мически активное вещество, предотвращающее воспламенение не только за счет теплоотбора, но и за счет торможения химических реакций путем об- рыва цепей их развития) в продуктах взрыва ВВ. При этом роль ингибитора сводится не к простому охлаждению продуктов взрыва до безопасной (кри- тической) температуры, а к осуществлению процесса рекомбинации радика- лов (очень активные, с не насыщенной валентностью химические продукты, получившие название активных центров, которые легко реагируют между со- бой и с молекулами метана и кислорода с образованием новых активных цен- тров) как в самих продуктах взрыва ВВ, так и в исходной МВС. Процесс ре- комбинации (взаимодействие радикалов между собой с образованием ва- лентнонасыщенных химических соединений) радикалов ингибитором проис- ходит на поверхности кристаллов соли; и чем больше поверхность, тем выше скорость рекомбинации радикалов, а следовательно, ингибирующая актив- ность соли. Современные соли-ингибиторы имеют флегматизирующую кон- центрацию всего несколько грамм на один кубометр МВС, что позволяет достигать высокий уровень предохранительных свойств у современных ВВ. Вместе с тем «заставить» соль активно ингибировать реакции во время про- цесса развития воспламенения МВС при взрыве в ней заряда ВВ не так про- сто. Во-первых, это связано с сильным динамическим действием давле-ния продуктов реакции на соль ингибитора в процессе детонации ВВ, в ре- зультате чего кристаллы соли разрушаются, их кристаллическая решетка де- формируется и возникает дезрекомбинационный эффект на поверхности та- кого кристалла. В этом случае процесс рекомбинации радикалов солью инги- битора прекращается, т.е. ингибитор становится балластом в продуктах взрыва. Для возобновления его эффективного действия необходимо опреде- ленное время, которое, к сожалению, гораздо больше, чем время детонации и развития взрыва ВВ во взрывоопасной среде. Во-вторых, продукты взрыва ВВ имеют достаточно высокую температуру; часть продуктов при этой тем- пературе, в результате вторичных реакций за детонационным фронтом, соз- дает в своем составе активные радикалы. Эти радикалы, попадая из продук- тов взрыва ВВ в исходную МВС, вызывают ее воспламенение. Поэтому час- тично соль ингибитора в продуктах взрыва должна осуществлять рекомби- нацию радикалов, образованных непосредственно в процессе детонации ВВ, т.е. непосредственно в ПВ. Эти достаточно сложные вопросы антигри- зутности ВВ в настоящее время удалось увязать во времени и пространстве при взрыве ВВ благодаря созданию принципиально новых схем построения предохранительных ВВ современного поколения – на базе радикально- цепной теории (согласно этой теории окисление горючей среды рассматрива- ется как разветвленный цепной химический процесс образования радикалов при превращении горючего и окислителя в продукты взрыва) предохрани- тельных свойств ВВ. Суть ее сводится к тому, что соль ингибитора в про- дуктах взрыва ВВ должна образовываться за фронтом детонационной волны, а сам ингибитор должен быть представлен двойной комбинацией, из которых одна химически активная и утилизирует радикалы в продуктах взрыва ВВ, а другая осуществляет процесс рекомбинации радикалов на поверхности крис- талла во взрывчатой МВС. Это позволяет получить предохранительные ВВ с высоким уровнем предохранительных свойств и работоспособностью.
Устойчивость шпуровых зарядов ВВ против выгорания также доста- точно сильно определяет безопасность применения предохранительных ВВ. Выгорающий заряд достаточно легко воспламеняет взрывоопасную среду. Это, во-первых, связано с тем, что возможен пожар в выработке, а во-вторых, когда происходит отказ детонации заряда ВВ, соль ингибитора уже не обра- зуется в продуктах взрыва, а газообразные продукты горения ВВ легко сме- шиваются с МВС и поджигают ее. Поэтому борьба с выгоранием основыва- ется на снижении горючести ПВВ и на обеспечении достаточно высокой его детонационной способности при практическом применении. Однако опять возникает достаточно не простой вопрос: как при этом обеспечить устойчи- вую детонацию шпурового заряда ВВ? Дело в том, что повышение детонаци- онной способности ВВ связано с повышением скорости детонации, давления детонации и мощности детонационной волны. Все эти факторы отрицательно влияют как на ингибирующую активность соли ингибитора, так облегчают воспламенение МВС. Решение этого вопроса требует иного – нетрадицион- ного решения, о котором будет сказано далее. У современных ПВВ устойчи- вость против выгорания обеспечивается за счет снижения горючести ВВ. Это достигается путем ввода в состав ПВВ специальных солей, которые получи- ли название ингибиторов поджигаемости ВВ. Настоящим успехом в борьбе с выгоранием зарядов ПВВ является то, что удалось подобрать соли, которые при взрыве ВВ образуют ингибиторы реакции окисления метана кислородом воздуха, а в случае отказа детонации в заряде ВВ (при переходном процессе возникновения в нем горения) являются активными ингибиторами поджи- гаемости ВВ, т.е. подавляют его горючесть. Вследствие этого удачным соче- танием тех или иных ингредиентов в составе ПВВ можно достичь у них та- кие параметры, которые обеспечивают ему достаточную для практики взрывных работ безопасность в опасных условиях угольных шахт.
Рассмотрим возможности применения жидких ВВ для проведения взрывных работ в угольной промышленности как в условиях открытых ра- бот, так и в подземных условиях шахт и рудников. Постановка вопроса имеет глубокие исторические корни, так как одним из первых ВВ, которое использовалось при взрывных работах являлся нитро- глицерин. Нитроглицерин – тяжелая жидкость с плотностью около 1,6 г/см3, чрезвычайно взрывчатая и опасная в обращении. Тем не менее до того, как был изобретен А.Нобелем динамит (пластичное ВВ на основе нитроглицери- на) нитроглицерин пытались использовать, как жидкое ВВ для взрывания по- род шпуровым и скважинным способом. Приоритет в этом виде взрывных работ принадлежит В.Ф. Петрушевскому, который начал в полупромышлен- ных масштабах изготавливать нитроглицерин и применять его при взрывных работах. При этом отмечалась высокая эффективность взрывных работ, так как нитроглицерин при введении в буровую скважину не требовал какой ли- бо оболочки и всегда вытеснял воду из скважины, которая служила надежной забойкой при взрыве. В дальнейшем было экспериментально показано, что гидрозабойка при взрыве заряда ВВ является самым эффективным средством повышения его работоспособности. Сам процесс взрывания зарядов ВВ в ок- ружении их водой и гидрозабойкой получил название – гидровзрывание. Учитывая высокую эффективность гидровзрывания зарядов ВВ при разру- шении горных пород, а также то, что окружение заряда ВВ водой резко по- вышает безопасность ВВ при его взрывании во взрывоопасной среде уголь- ных шахт. Необходимо развивать и повсеместно, где это нужно, внедрять эту перспективную технологию проведения взрывных работ. Для этого нужны специальные водоустойчивые ВВ, устойчиво детонирующие в воде. Очень перспективным является применение жидких ВВ в сочетании с водой, кото- рая постоянно находится в скважинах (шпурах) при их заряжании и проведе- нии взрывных работ (80% скважины обводнены). В этом случае жидкие ВВ при заряжании вытесняют воду из скважин и трещин, которые контактируют с ней. Вода создает надежную забойку для заряда ВВ при взрыве, а главное не требуется специальных механизмов для заряжания ВВ и создания забойки.
Чувствительность к механическим воздействиям (ударам, трению и др.) современных высокопредохранительных ВВ достаточно высокая и поэтому они являются потенциально опасными веществами. Такое положение дел обусловлено тем, что в качестве сенсибилизаторов в высокопредохрнитель- ных ВВ применяют крайне опасные в обращении индивидуальные ВВ - нит- роэфиры, представляющие смесь нитроглицерина и диэтиленгликольдинит- рата. В будущем их необходимо заменить на менее опасные, низкочувстви- тельные ВВ, например, на нитрометан. Это жидкое нитросоединение насы- щенного ряда углеводородов. Широко применяется в ракетной технике в ка- честве монотоплива. Нитрометан обладает гораздо более низкой токсично- стью, чем нитроэфиры. Он относится к IV классу веществ по токсичности; к стати, в эту группу веществ входит аммиачная селитра и практически все компоненты, составляющие рецептуру ПВВ. Поэтому такая замена полезна и из соображений токсичности ВВ, и их экологической безопасности. Этой за- меной будет решена также проблема чувствительности ВВ к механическим воздействиям и задача достижения экологической безопасности ВВ.
Кроме того, можно предложить заменить в ПВВ III…VII классов тро- тил на нитрогуанидин. Нитрогуанидин практически не обладает токсическим действием на человека.