Факультет экологии и химической технологии
Специальность: «Химическая технология высокомолекулярных соединений»
Отказы электродетонаторов (ЭД) при проведениии взрывных работ, обусловленные неисправностью взрывных приборов (ВП), взрывной сети или самого электродетонатора приводят к отказам взрывчатых веществ (ВВ) шпуровых или скважинных зарядов. При убирании породы может произойти взрыв зарядов, которые не сработали, но чаще всего масса ВВ разбрасывается и смешивается с породой, после чего она может поступать на обогатительные фабрики, где определенным образом воздействовать на рабочих, а потом на отвалы породы, тем самым загрязняя окружающую среду. Известно, что в составе ВВ находятся компоненты, которые опасны для здоровья людей и негативно воздействуют на окружающую среду. Так, например, большинство сенсибилизаторов, которые входят в состав ВВ в достаточно большом количестве (тротил, гексоген, нитроэфиры, прочие) являются опасными веществами и по токсическому воздействию согласно ГОСТ 12.1.007 – 76 и ГОСТ 12.1.005 – 88 относятся к І – ІІ классу опасности [13]. Таким образом данная работа затрагивает проблемы охраны труда и экологической безопасности.
Целью работы является обеспечение проверки взрывных приборов по всем показателям, согласно техническим условиям, а также обеспечение проверки электрозажигателиной сети, электродетонаторов на чуствительность к импульсу тока. за счет использования проверенных взрывных приборов, и полоной проверки сети будет обеспеченность безотказность, и соответственно безопасность электрического подрывания зарядов взрывчатых веществ.
Взрывные приборы согласно действующим нормативным документам должны проверяться каждый раз перед выдачей к работе. Кроме того, раз в пол года, они должны проходить государственные контрольные испытания в специализированных организациях. Таких организацийна территории Украины много (проверку выполняют все центры стандартизации и метрологии), но полную проверку взрывных приборов по всем показателям, на сегодня, имеет возможность осуществить только МакНИИ на своих стэндах. Поэтому задача создания простого по конструкции и в то же время эффективного стенда является актуальной задачей.
Главным образом это создание простого по конструкции и универсального в работе стенда, который позволит определять характеристики взрывных приборов и электрозажигательной сети, в результате чего будет обеспечиваться безопасность проведения взрывных работ, кроме того, важной практической задачей является создание лабораторного практикума, на базе разработанного стэнда, для обучения студентов специальности «Химическая технология высокомолекулярных соединений».
Поиск осуществленный автором в сети интернет на глобальном (мировом), национальном (Украина) и локальном (материалы ДонНТУ) уровнях не дал результатов. которые отвечали бы теме работы. Поэтому можно смело утверждать, что данная работа является новой с научной точки зрения.
Электрическое взрывание зарядов ВВ является одним из наиболее распространенных способов ведения взрывных работ. Электровзрывание с помощью ЭД, включенных в электровзрывную сеть, допускает как одновременную (мгновенное взрывание), так и последовательную с заданным промежутком времени детонацию зарядов в группе (замедленное и короткозамедленное взрывание [14].
На сегодня электрическое взрывание - это единственный допущеный в угольных шахтах способ взрывания шпуровых и скважинных зарядов ВВ. Электровзрывание безопаснее огневого, так как позволяет взрывать больше зарядов и может производиться в любых условиях ведения взрывных работ, в том числе применяться в шахтах, опасных по газу и пыли [15].
Качество и безопасность взрывных работ, при использовании способа электровзрывния зарядов ВВ, зависит в первую очередь от качества взрывных материалов (ВМ) и средств взрывания. К средствам взрывания относятся ЭД и взрывные приборы. Известно, что ЭД перед применением проходят стопроцентную проверку электрической части, поэтому для качественного проведения взрывных работ необходмо особо обращать внимание на контроль исправности ВП. На сегодня ВП перед выдачей к работе проверяются на складах прибором ПКВИ, такой проверки вполне достаточно. Также прибором ПКВИ пользуются государственные центры стандартизации и метрологии при освидетельствовании ВП, что является неправильным, так как необходимо более детально определить, обработать и проверить характеристики прибора и убедиться, что он работает не на «грани».
Прибор ПКВИ («ПКВИ – 3М») измеряет только величину и длительность импульса тока, а результат проверки выдает в виде логического вывода - слов «годен», или «негоден», которые выводятся на табло [16]. Логический сигнал в виде слов «годен», или «негоден», который выдается прибором, вместо конкретного числового значения - является недостатком, так как не позволяет обработать полученные данные более глубоко и детально.
Спецификой контроля исправности взрывных приборов являeтся то, что на их выводные клемы подается взрывной импульс длительностью лишь 2 - 4 мс поэтому для проверки их исправности необходимо использовать специализированную аппаратуру [14].
Исследуя проблему проверки и контроля исправности ВП был разработан и испытан лабораторный стенд основу которого составляет персональный компьютер. Схема стенда изображена на рис. 1 .
Рисунок 1 – Схема лабораторного стенда
Стенд состоит из следующих единиц: взрывного прибора ВП (в нашем случае - это ВП-75, а в общем это может быть любой взрывной прибор); магазина сопротивлений R1; сравнительного сопротивления R2 = 1 Ом; балластного сопротивления R3 = 1 кОм; стабилитрона КС 133; и выводных проводов которые подключаются к компьютеру. Магазин сопротивлений необходим для проверки прибора на различных сопротивлениях (моделирование взрывной сети). Стабилитрон необходим для защиты компьютера от перенапряжения - когда напряжение или сила тока превысят определенное значение, случится пробой стабилитрона и конденсатор ВП разрядится на балластном сопротивлении.
Проверка работы стенда осуществлялась с помощью прибора ВП-75 на трех различных сопротивлениях взрывной сети - 191, 201 и 221 Ом соответственно. В результате были получены данные (данные были получены с помощью программы виртуального осциллографа – osciloscope 2.51) для дальнейшего расчета и построены кривые импульса тока рис. 2 .
Рисунок 2 – Изображение импульсов тока при различных сопротивлениях сети
Обработка полученных экспериментальных данных осуществлялась на компьютере в среде MathCAD с помощью собственноручно написанной программы расчета, которая позволяет определить величину, длительность импульса тока, силу тока в начале и в конце подачи импульса, и максимальную величину напряжения заряда конденсатора. Величина импульса тока, как одна из важнейших характеристик прибора, рассчитывалась методом трапеций. Данный метод позволяет с достаточной точностью обработать экспериментальные данные, которые выдаются в виде набора точек. Другие параметры рассчитывались и выводились на печать с помощью несложных логических условий.
Как результат данного этапа выпускной работы можно отметить, что мы достигли поставленной на данном этапе цели, разработали, собрали и испытали лабораторный стенд, написали программу обработки экспериментальных данных на компьютере, и, в целом, вполне эффективно справились с работой.
Рисунок 3– Анимация работы лабораторного стенда (5 кадров, 7 циклов повторения, размер 24 КБ)
Вторым этапом работы было определение теоретического времени срабатывания электродетонаторов, и выяснение влияющих на него причин.
Электродетонатор - это устройство для инициирования взрывчатого превращения в основном заряде ВВ, при проведении взрывных работ.
В настоящее время промышленность Украины производит и использует ЭД нормальной чувствительности к электрическому импульсу. Среди производимых ЭД есть мгновенного, короткозамедленного и замедленного действия. Согласно действующей нормативно технической документации время срабатывания ЭД мгновенного действия нормальной чувствительности к электрическому импульсу при силе тока 1А должно составлять от 2 до 6 мс.
Цель данной части работы рассмотреть механизм срабатывания ЭД и теоретически определить время срабатывания ЭД мгновенного действия, определить факторы влияющие на такой большой разбег во времени. Расчеты и исследования проводились авторами для предохранительных ЭД типа ЭДКЗ-ПМ мгновенного действия.
Время срабатывания ЭД мгновенного действия состоит из следующих величин:
де 
– время нагрева мостика ЭД и зажигательного состава до температуры вспышки;
– время индукции зажигательного состава;
– время передачи горения инициирующему составу;
– время горения инициирующего взрывчатого вещества (ИВВ);
– время детонации ИВВ;
– время детонации бризантного взрывчатого вещества (БВВ);
Для расчета необходимо задаться или определить исходные данные, к которым относятся теплопроводности, теплоемкости, плотности компонентов состава, его температура вспышки, а также параметры мостика накаливания.
Авторами экспериментально, в лабораторных условиях согласно формуле приведенной в [1] установлено, что температура вспышки воспламенительной головки составляет 186 градусов Цельсия.
Воспламенительная головка состоит из трех слоев: зажигательный состав 1% Pb3O4 , по 49.5% KClO3 и Pb(CNS)2 ; инертный состав, который состоит из 3 - 5 в. ч. нитроклея, основной компонент которого нитроцеллюлоза (НЦ) и 1 в. ч. Fe2O3 ; третий слой - это подкрашенный нитролак. Плотности компонентов состава согласно разным источникам составляют
Необходимые нам удельные теплоемкости возьмем из справочной литературы (предварительно поделив значение из справочника на молекулярную массу, для получения необходимой нам размерности).
.
Имея в распоряжении эти данные мы можем определить теплопроводности данных компонентов по формуле источника [5]:
где 
– теплоемкость вещества при постоянном объеме (приблизительно можно принять изобарную теплоемкость);
– скорость звука в веществе;
– размер кристаллического зерна.
Зная, что компоненты состава воспламенительной головки просеиваются через сито №49 размер ячеек которого 125 мкм [6] и принимая, что скорость звука в каждом из компонентов приблизительно составляет 2000 м/с мы можем определить теплопроводности компонентов.
Зная теплопроводности отдельных компонентов мы можем определить теплопроводности слоев воспламенительной головки пользуясь уравнением адитивности.
Теплопроводность первого слоя:
Зная общую, среднюю теплопроводность нитратов целлюлозы 
[7] и, что ее (нитроцеллюлозы) во втором слое (в составе нитроклея) приблизительно 75% рассчитаем теплопроводность второго слоя:
В наших расчетах мы пренебрегаем наличием третьего слоя, так как он, сравнительно, а также основным его компонентом является нитроцеллюлоза (коллоксилин) как и во втором слое.
Пользуясь уравнением адитивности рассчитаем плотности первого и второго слоя, зная что их массы соответственно составляют 0.17 и 0.053 г, а также общую плотность воспламенительной головки:
Условно принимая форму воспламенительного состава шарообразной определим радиус воспламенительной головки и толщину каждого шара:
Коэффициент теплоотдачи в окружающее пространство (воздух около головки воспламенительного состава) определим по формуле из источника [8]:
Для определения времени нагрева воспламенительного состава до температуры вспышки проведем расчет в котором определим за какое время внешняя поверхность первого слоя воспламенилельного состава прогреется до температуры вспышки, т. е. до 186 градусов. Расчет будем производить подобно расчету изоляции.
Определим общий коэффициент теплопередачи:
Температуру внешней поверхности первого слоя определим по формулам:
де 
– температура мостика;
де 
– температура окружающей среды (25 С);
де 
– температура внешней поверхности первого слоя электровоспламенительной головки;
Расчет температуры нагрева электрического мостика и зависимую от этого температуру внешней поверхности первого слоя выполним на ЭВМ по приведенным формулам изменяя время нагрева.
Температуру мостика будем определять по формуле
де 
– сила тока (1А);
– сопротивление мостика (2Ома);
– масса мостика (рассчитана по его параметрам);
де – теплоемкость нихрома [2];
Расчет на ЭВМ показал, что воспламенительный состав прогревается одновременно с электрическим мостиком (связано с высокой теплопроводностью состава) и достигает температуры вспышки за время 
(рис. 4), но при температуре вспышки смесь имеет большое время индукции, поэтому для воспламенения необходимо прогреть до температуры вспышки весь первый слой головки.
Рисунок 4 – График нагрева электрического мостика и первого слоя воспламенительной головки
Время индукции воспламенительного состава определим по формуле из источника [1]:
где С – постоянная, зависящая от состава;
Е – энергия активации состава (кал/моль) ;
R – газовая постоянная (1.986 кал/(моль град) );
Т – температура в кельвинах.
Принимая за энергию активации состава энергию активации бертолетовой соли 
как главного сенсибилизатора, определим время индукции воспламенительного состава при температуре вспышки:
Но учитывая, что электрический мостик греется сравнительно быстрее и через время 0.00064 с его температура будет составлять 372 градуса (линейная зависимость рис. 1) определим время индукции воспламенительного состава:
В таком случае пренебрегаем временем индукции состава, а за сумму времени нагрева мостика и времени индукции принимаем удвоенное время нагрева мостика до температуры вспышки состава воспламенительной головки.
Время передачи горения инициирующему составу - зависит от скорости горения состава воспламенительной головки и от теплоты реакции. Реакция горения первого слоя электровоспламенительной головки проходит по схеме:
Теплота которая выделяется при протекании реакции составляет 4885.83 кДж [5, 10] на 690.5 г смеси, что отвечает 7.08 кДж на 1 г смеси. При полном сгорании первого слоя выделяется 1203 Дж тепловой энергии. Эта энергия идет на разогрев второго слоя и продуктов реакции. Определим разницу температур на которую теоретически могут нагреться продукты реакции и компоненты второго слоя воспламенительной головки, зная массу головки и теплоемкость второго слоя и продуктов реакции ( 
, определено автором по данным [5]):
Известно, что при температуре 390 С азид свинца воспламеняется мгновенно [11], поэтому мы можем уверенно утверждать, что энергии которая выделяется при згорании воспламенительного состава, вполне достаточно для инициирования азида свинца. Передача импульса от воспламенительной головки к ИВВ осуществляется лишь после того, как горение первого слоя от центра выйдет на поверхность второго слоя. Горение электровоспламенительной головки происходит в форме взрыва (наблюдения). Согласно [12] скорость детонации хлората калия с различными горючими составляет приблизительно 1500 м/с. Зная, что наименьший линейный размер капли составляет 2 мм можем определить время выхода первого слоя на поверхность:
Условно принимаем это время за время передачи горения к ИВВ.
Время горения ИВВ до перехода его в детонацию составляет меньше 1 мкс [11] (для расчетов возьмем 1 мкс).
Зная. что азид свинца запрессовывается в колпачок диаметром 5.25 мм, и пользуясь другими его свойствами [11] можем определить высоту его запресовки и :
можно определить исходя из скорости детонации вторичного заряда и его длины. Согласно конструкции ЭДКЗ-ПМ вторичный заряд имеет длину 0.022 м и скорость его детонации приблизительно 7500 м/с. Поэтому будет составлять 0.022:7500=0.00000293 с, или приблизительно 3 мкс.
Имея все необходимые данные, можем определить общее теоретическое время срабатывания ЭД:
Большой разбег между теоретическим временем срабатывания ЭД и тем, которое наблюдается на практике, можно объяснить конструкцией ЭДКЗ-ПМ, у которого расстояние от капли (электровоспламенительной головки) до капсюля с ИВВ составляет 21.5 мм, которое должны преодолеть частицы Fe2O3.
Выводы: для уменьшения времени срабатывания ЭД необходимо приблизить каплю к ИВВ, изменив конструкцию детонатора или изменить состав воспламенительной головки.
На сегодня мы имеем разработанный лабораторный стенд для проверки взрывных приборов. Перспективой дальнейшей работы является доработка и усовершенствование стенда с целью возможности осуществления на нем исследований электрозажигательной сети и проверки ЕД на чувствительность к импульсу тока. Вторым перспективным направлением данной работы является разработка и составление лабораторного практикума для студентов.
На время написания автореферата магистерская работа не завершена. Завершение работы - декабрь 2010. Полный текст работы модна получить у автора или его научного руководителя после указанной даты.