Шташкевич Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

На территории Донбасса добывается большое количество угля - около 80 миллионов тонн на год. Но добыча угля является очень опасным процессом.

В атмосферу многих подземных выработок выделяются горючие газы (метан, этан, этилен и другие углеводы, водород, сероводород), а также угольная пыль. Эти факторы являются опасными и могут образовать подземный взрыв или пожар, которые приведут к большим разрушениям. Травматизм на угольных шахтах Донбасса за последние годы не уменьшился, не смотря на то, что добыча угля сократилась.

За последние двадцать лет случилось около 40 взрывов газа и пыли, около 80 вспышек метана, больше 1500 газодинамических явлений, около 700 пожаров, 1400 обрушений и завалов горных выработках. Погибло около 3400 человек, из них около 35% при авариях с групповыми случаями[1].

Одной из основных причин образования взрыва газа и пыли есть влияние источников тепла (луч огня, электрическая искра и др.) на взрывоопасную среду при добыче угля.

Взрывные работы на сегодняшний день являются неотъемлемым процессом горного производства. С их помощью в наше время добывается около 10% угля и проводится около 40% подготовительных в выработках. На предприятиях угольной промышленности каждый год расходуется около 8 тыс. тонн ВВ, из них около 5 тыс. тонн - предохранительные[2].

Во избежание взрыва, необходимо придерживаться правил безопасности. При несоблюдении их подрывные работы представляют серьезную опасность.

Одной из важнейших мер безопасности является применения предохранительных взрывных веществ при подрывных роботах в подземных выработках, опасных по газу и пыли.

Объект исследования – амонит П5 и амонит Г5, изготовляемый на ДКЗХИ.

Цель работы – исследования влияния содержания инертных добавок на предохранительные свойства, определение оптимальных условий для проведения подрыва предохранительных взрывчатых веществ(ПВВ).

Актуальность работы заключается в том, что аммониты, которые используют при проведении подрыва в выработках опасных по газу, содержат инертные примеси и предотвращают воспаление, которое может вызвать взрыв метановоздушной смеси, и будет оказывать содействие обвалу шахты.

Практическая ценность результатов - основывается на определении оптимального состава аммонитов, содержания его компонентов, которые приведут к минимизации вспышек метановоздушной смеси.

Научная значимость - определение зависимости количества вспышек метановоздушной смеси от содержимого инертных соединений; определение зависимости количества вспышек метановоздушной смеси от кислородного баланса ВР, что исследуется.

1 ОСОБЕННОСТИ МЕТАНОВЫДЕЛЕНИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПОДРЫВНЫХ РАБОТ

Во время процесса разрушения газоносного горного массива взрывом можно выделить ряд особенностей.

При короткозадерженном взрывании комплекта шпуровых зарядов в газоносном угольном пласте за короткий промежуток времени происходит отрыв, дробление и перемещение значительных объемов угольной массы с высвобождением отсорбированного и свободного метана из пор, которые раскрываются, и трещин. Причиной быстрого метановыделения из раздробленного угля - скоростной процесс разрушения. Этот процесс заканчивается очень быстро в первые секунды после взрыва. До этого времени часть метана, который выделился, успевает перейти в атмосферу привыбойного пространства. Причем интенсивность метановыделение, что определяет количество газа, выделившегося в указанный промежуток времени, зависит от газоносности угля, объема и степени дробления отраженной горной массы.

Также необходимо сказать, что содержание метана в выработке зависит от количества воздуха, который подается в нее, а не только от газовыделения. Но непосредственное действие вентиляции начинается только спустя некоторое время после взрывания и наличие воздуха практически не влияет на содержание метана. Так при количестве воздуха, который подается в забой - 60 м³/мин за 100 мс к забою поступит около 0,1 м³ воздух, разумеется, что такое количество воздуха не снизит существенно концентрацию метана в привыбойном пространстве.

Изменение концентрации метана в пространстве выработки после взрыва зависит от многих факторов, поэтому необходимо учитывать динамику изменения концентрации метана в привыбойном пространстве. Был проведен отбор газовых проб специальными (вакуумными, поршневыми и мембранами) пробоотборниками после взрывания с общим временем до 720 мс. При этом специальными устройствами задавался интервал замедления. Изоляция, в данном случае, обеспечивалась обратном клапаном.

Необходимо обратить внимание на пробы, которые набирались через 0,05..0,50 с после подачи тока во взрывную сеть, они характеризуют изменение соединения атмосферы в призабойной части изготовления в процессе взрывания зарядов.

С помощью таких приборов было набрано болeе 1000 проб газа, в том числе более 300 за период от 0,05 до 0,50 с после начала взрывания шпуровых зарядов и более 500 проб в секундные и минутные периоды времени.

Исследование динамики метана при подрывных роботах взрывных веществ (ВВ) IV класса показывают:

а) рост метановиделения наблюдается уже через 25 мс после подачи тока во взрывную сеть;

б) взрывоопасные концентрации метана в привыбойном пространстве выработки при подрывных роботах не образуются за период времени до 250 мс включительно, считая от начала подачи импульса тока во взрывную сеть (концентрация метана не превышает 1,9%). Такое количество метана даже при небольшом количестве взрывной угольной пыли может привести к взрывоопасной среде в выработке. Но такая опасная среда может образоваться в отдельных случаях и в ограниченном объеме;

в) через 0,6...5 с после начала взрыва концентрация метана в привыбойном просторные может достигать взрывоопасного предела.

При наличии проветривания выработок взрывоопасные концентрации метана в привыбойном пространстве могут содержать в пределах нескольких минут, а в отдельных случаях до 10 мин. после производства подрывных работ.

При подрывных роботах ВВ V и VI классов время начала образования угрожающих и взрывоопасных концентраций метана в 1,4 раза больше, чем при применении ВВ IV класса.

Благодаря увеличению концентрации угольного газа, выделению этану образованию отравляющих газов и уменьшению кислорода, изменяется состав рудниковой атмосферы.

Концентрация кислорода в привыбойном пространстве выработки снижается на протяжении продолжительного периода времени (до 10 минут), но лишь в отдельных случаях она составляет менее 18...19%[3].

2 ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ ВЗРЫВНЫЕ ВЕЩЕСТВА Г5, П5

Аммониты Г5, П5 представляют собой порошкообразную предохранительную водостойкую ВВ IV класса. Разрешением Госгорпромнадзором Украины аммониты Г5, П5 допущенные к применению в горной промышленности, в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

Предназначенные для взрывания по углю и породам любой прочности при любой обводненности шпуров в условиях, где «Едиными правилами безопасности при подрывных роботах» (ЕПБ ВВ) разрешенное применение ВВ IV класса. Патроны подлежат заряжанию вручную. Аммониты Г5, П5 могут сохраняться и применяться во всех климатических районах.

Аммониты Г5, П5 выпускают по ТУ В 3.14311844-112-2000 в патронах диаметром 36-37 мм, массой 300 г при плотности ВВ в патроне (1, 05-1,20) г/см³[4].

Патронируют в гильзы из бумаги желтого цвета. На каждый патрон необходимо нанести несмываемой краской маркировку.

Предохранительные свойства: частота воспаления метановоздушной смеси не более 50% при взрыве заряда массой 300 г с 20 испытаний в канальной мортире при прямом инициировании без забойки и отсутствие воспалений пылевоздушной смеси при взрыве заряда массой 700 г в трех опытах в канальной мортире.

Перед заряжанием шпур должен быть тщательно очищенный от буровой мелочи и пыли. Заряд, который состоит из двух или больше патронов, необходимо вводить в шпур одновременно.

3 МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ В МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ

Патроны последовательно один за другим вплотную помещают в канал мортиры. Она представляет собой толстостенный стальной цилиндр внешним диаметром не менее 300 м с несквозным (осевого расположения) каналом длиной (1050±10) мм и диаметром (55±1,0) мм. Тележку с заряженной мортирой осторожно подталкивают вплотную к фланцу люка в днище штрека. Штрек с подвижной или неподвижной диафрагмой, которая представляет собой металлическую трубу диаметром (1800±30) мм и длиной (15000±500) мм.

Один конец штрека открыт, а второй закрыт днищем с люком 300-400 мм. Газ, который используется для приготовления метановоздушной смеси (естественный или синтетический), что содержит по объемной частице:

- метана - не менее 85%;

- гомологов метана - не более 8%;

- азота и углекислого газа в сумме - не более 7%;

- непредельных углеводородов и водорода - не более 0,005%.

В трубе с помощью подвижной или неподвижной диафрагмы ограждают камеру объемом 10-111 м³. В нее при перемещении впускают газ в количестве, необходимом для создания его концентрации в смеси с воздухом (9,0±0,5)% по объему. От взрывной машинки подают импульс на электродетонатор испытанного заряда и после взрыва последнего регистрируют визуально состоялось или не состоялось воспаление метановоздушной смеси.

ВВ считают выдержавшим испытание при массе заряда нормативным документом на конкретные ВВ, если: при испытании ВВ I – IV класса частота воспаления метановоздушной смеси в 20 опытах подряд – не больше 50%. При получении неудовлетворительных результатов проводят повторные испытания с удвоенным количеством опытов.

Результаты повторных испытаний являются окончательными.

На испытание с периодичностью переходят при получении положительных результатов не менее чем в 10 испытаний подряд[5].

В условиях завода ДКЗХИ проводились испытание аммонита П5, Г5 на опытном штреке.

4 ОБРАБОТКА ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНИХ ДАННИХ

На основании проведенных испытаний рассчитаем содержание инертных примесей, кислородное баланс аммонитов и энергетических показателей аммонитов.

4.1 Расчет содержимого инертных примесей в аммонитах

Содержание инертных примесей находим по формуле:

а = b + c + d,

где а - содержание инертного соединения в аммоните, г;

b - содержание соли в аммоните, г;

c - содержание нерастворимых соединений вместе с графитом в аммоните, г;

d - содержание полифосфата в аммоните, г.

4.2 Расчет кислородного баланса аммонитов

Кислородный баланс (КБ) находим за формулой:

КБ = n• (-74) + m • (+19),

где n - содержание тротила в аммоните, г;

-74 - КБ тротила;

m - содержание селитры в аммоните, г;

+19 - КБ селитры.

По рассчитанным данным построим график зависимости количества вспышек от количества инертного соединения во взрывном веществе и зависимость количества вспышек от КБ. Эта зависимость приведена в графиках 1 - 3.

4.3 Расчет энергетических свойств аммонитов

Расчет проводим для образцов аммонитов Г5 и П5 согласно рекомендациям[6].

Брутто формула имеет вид:

С_аН_б О_в N_г Na_д Cl_е Р_ж

Исходя из брутто формулы уравнение реакции взрывчатого превращения имеет вид :

С_q + С_а Н_б О_в N_г Na_д Cl_е Р_ж = gNaCl + xН₂О + yCO + zСО₂ + kN₂ + qС + sNa₃PO₄,

где С _а – содержание атомов углерода в 1кг ВВ;

Н _б - содержание атомов водорода в 1кг ВВ;

N _г - содержание атомов азота в 1кг ВВ;

О_в - содержание атомов кислорода в 1кг ВВ;

Na _д - содержание атомов натрия в 1кг ВВ;

Cl_е - содержание атомов хлора в 1кг ВВ;

Р_ж - содержание атомов фосфора в 1кг ВВ;

x - количество молекул воды, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ;

y - количество молекул СО, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ;

z - количество молекул СО₂, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ;

g - количество молекул NaCl, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ;

q - количество молекул углерода, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ;

s - количество молекул Na₃PO₄, которые образовываются во время взрыва 1кг ВВ.

Теплота продуктов взрыва рассчитаем за формулой[7]:

Аx • Ву = Qv,

где Аx – количество молекул одного элемента, который образовывается во время взрывного преобразования;

ВУ – теплота образования 1 молекулы при V=const;

Qv – теплота взрывного преобразования, кДж/кг;

57, 49-теплота образования одной молекулы воды при постоянном объеме, ккал/моль;

27,17 - теплота образования одной молекулы CO при постоянном объеме, ккал/моль;

94,51 - теплота образования одной молекулы CO₂ при постоянном объеме, ккал/моль;

98,04 - теплота образования одной молекулы NaCl при постоянном объеме, ккал/моль;

38,86 - теплота образования одной молекулы Na₃PO₄ при постоянном объеме, ккал/моль.

Qпв = QН₂О + QCO + QСО₂ + QNaCl,

Qвиб = Qпв – Qвих.прод

Объем газообразных продуктов взрыва находим за формулой:

V = (Vг) * 22,4,

где 22,4 - объем, который занимает 1 молекула газа при нормальных условиях;

Vг - сумма газов, которая образовалась во время взрыва.

Дальше подсчитаем значение молярной теплоемкости газов взрыва при 0⁰ C и прирост молярной теплоемкости при увеличении температуры на 1⁰ С.

а_іп_і=А ,

в_іп_і=В ,

где а – молярная теплоемкость продуктов взрыва при 0⁰ С ;

в – увеличение молярной теплоемкости при повышении температуры на 1⁰ С[8].

Графики звисимости количества вспышек от раличных факторов
(Анимация содержит 6 кадров, 1 кадр в 2 секунды, 10 повторов)

ОСНОВНЫЕ РЕУЛЬТАТЫ

В приведенной работе были рассмотрены вопросы влияния количества инертного соединения, кислородного баланса и энергетических свойств на количество вспышек при подрыве аммонитов, которые есть одной из важнейших характеристик предохранительных взрывных веществ.

Наибольшее количество вспышек наблюдается при наименьшем содержимом инертных соединений в ПВВ, таким образом содержание инертного соединения влияет на предохранительные свойства взрывных веществ, при содержимом инертного соединения больше 0,205кг (для аммонита Г5) и больше 0,208 кг (для аммонита П5) вспышки не наблюдались.

При кислородном балансе близкому к нулевому наблюдается наименьшее количество вспышек, а при отклонении его в положительную (аммонит П5) или отрицательную (аммонит Г5) сторону, количество вспышек увеличивается и образовываются продукты неполного окисления – NO, N₂, CO, а также горючие газы – Н₂ , СН₄ [9].

Они являются нежелательными и отрицательно влияют на атмосферную среду. Из этого можно сделать вывод, что наличие инертного соединения и кислородный баланс оказывает непосредственное влияние на количество вспышек.

При рассматривании влияния энергетических свойств на количество вспышек метановоздушной смеси, наблюдался рост количества вспышек при росте энергетических показателей (теплоты взрыва, содержимого газов, которые образовались во время взрыва и температуры воспаления). В аммоните Г5 при высочайших энергетических показателях наблюдались 11 вспышек - партия была забракована.

Фундаментальные исследования процессов воспламенения метановоздушной смеси во время взрыва ВВ показали, что воспламенение метановоздушных смесей происходит от столкновения этой смеси с пламенем взрыва ВВ, имеющей высокую температуру. Согласно с тепловой теорией весь газ может быть воспламенен, если определенный (эквивалентный) сферический объем радиуса R_экв будет нагрето до температуры воспламенения (Т_восп = 2100⁰ К для 8.62% метановоздушной среды)[10].

ВЫВОДЫ

Из этого можно сделать вывод, что содержание инертных добавок и кислородный баланс непосредственно влияют на количество вспышек. При рассмотрении влияния энергетических свойств на количество вспышек метановоздушной среды, наблюдалось повышение количества при повышении энергетических показателей (теплоты взрыва, содержания газов, образовавшихся во время взрыва и температуры воспламенения). У аммонита Г5 при наивысших энергетических показателях наблюдалось 11 вспышек – партия была забракована. При рассмотрении влияния ингибиторов на предохранительные свойства аммонитов, можно сделать вывод, что полифосфат увеличивает их. Таким образом, будет целесообразно заменить в аммоните П5 хлорид натрия на полифосфат.