Факультет екології та хімічної технології
Спеціальність: «Хімічна технологія високомолекулярних сполук»
Відмови електродетонаторів (ЕД) при веденні вибухових робіт зумовлені неполадками вибухових приладів (ВП), вибухової мережі або самого ЕД призводять до відмови вибухових речовин (ВР) шпурових або свердловинних зарядів. При прибиранні породи може виникнути вибух зарядів, які не спрацювали, але частіше маса ВР розкидається і змішується з породою, після чого вона може надходити на збагачувальні фабрики, де певним чином впливати на працівників, а потім на відвали породи, тим самим забруднюючи навколишнє середовище. Відомо, що в складі ВР знаходяться компоненти, які є небезпечними для здоров’я людей і шкідливо впливають на навколишнє середовище. Так, наприклад, більшість сенсибілізаторів, які входять до складу ВР в достатньо великій кількості (тротил, гексоген, нітроефіри, тощо) є шкідливими речовинами і за токсичним впливом згідно ГОСТ 12.1.007 – 76 і ГОСТ 12.1.005 – 88 належать до І – ІІ класу небезпеки [13]. Таким чином дана робота торкається проблем охорони праці та екологічної безпеки.
Метою роботи є забезпечення перевірки вибухових приладів за всіма показниками, згідно з технічними умовами, а також забезпечення перевірки електрозапалювальної мережі та електродетонаторів на чутливість до імпульсу струму. За рахунок застосування перевірених вибухових приладів, та повної перевірки мережі буде забезпечена безвідмовність, а відповідно і безпека електричного підривання зарядів вибухових речовин.
Вибухові прилади згідно з діючими нормативними документами повинні перевірятися, щоразу перед видачею до роботи, на безвідмовність спрацьовування. Крім того, один раз на пів року, вони повинні проходити державні контрольні випробування в спеціалізованих організаціях. Таких центрів на території України багато (перевірку виконують всі центри стандартизації та метрології), але повну перевірку вибухових приладів за всіма показниками, на теперішній час, має можливість виконати тільки МакНДІ на своїх стендах. Тому задача створення простого за конструкцією і в той же час ефективного стенду є актуальною задачею.
Головним чином це створення простого за конструкцією та універсального в роботі стенду, який дозволить визначати характеристики вибухових приладів та електрозапалювальної мережі, чим забезпечуватиме безпеку проведення вибухових робіт, крім того велике практичне значення має створення лабораторного практикуму, на базі розробленого стенду, для навчання студентів спеціальності «Хімічна технологія високомолекулярних сполук».
Пошук здійснений автором в мережі інтернет на глобальному (світовому), національному (Україна) та локальному (матеріали ДонНТУ) рівнях не дав жодного із результатів, які б відповідали темі роботи. Тому можна сміливо стверджувати, що дана робота є новою з наукової точки зору.
Електричне підривання зарядів ВР є одним з найбільш розповсюджених способів проведення вибухових робіт. Електричне підривання за допомогою ЕД, увімкнених в електровибухову мережу, припускає як одночасну (миттєве підривання), так і послідовну із заданим проміжком часу детонацію зарядів в групі (уповільнене і короткоуповільнене підривання) [14].
На сьогодні електричне підривання – це єдиний допущений у вугільних шахтах спосіб підривання шпурових і свердловинних зарядів ВР. Електричне підривання безпечніше вогневого, так як дозволяє підривати більше зарядів і може використовуватись в будь-яких умовах ведення вибухових робіт, в тому числі використовуватись в шахтах, небезпечних по газу і пилу [15].
Якість і безпечність вибухових робіт, при використанні способу електричного підривання зарядів ВР, залежить в першу чергу від якості вибухових матеріалів (ВМ) та засобів підривання. До засобів підривання відносять ЕД та вибухові прилади. Відомо, що ЕД перед використанням проходять стовідсоткову перевірку електричної частини, тому для якісного проведення вибухових робіт треба значну увагу приділяти контролю справності ВП. На сьогодні ВП перед видачею до роботи перевіряються у складах на приладі ПКВІ, такої перевірки цілком достатньо. Також приладом ПКВІ користуються державні центри стандартизації і метрології при освідченні ВП, що не є правильним, тому що необхідно більш детально визначити, обробити та перевірити характеристики приладу і пересвідчитись, що він працює не на «межі».
Прилад ПКВІ («ПКВИ – 3М») вимірює тільки величину і тривалість імпульсу струму, а результат перевірки видає у вигляді логічного виводу – слів «придатний» або «непридатний», які загоряються на табло [16]. Логічний сигнал у вигляді слів «придатний», або «непридатний», який видається приладом, замість конкретного числового значення – є недоліком, так як не дозволяє обробити отримані дані більш глибоко і детально. Специфічністю контролю справності вибухових приладів є те, що на їх вивідні клеми наводиться вибуховий імпульс тривалістю лише 2 – 4 мс тому перевірка їх справності потребує використання спеціалізованої апаратури [14].
Досліджуючи проблему перевірки і контролю справності ВП був розроблений і випробуваний лабораторний стенд основу якого складає персональний комп’ютер. Схема стенду зображена на рис.1 .
Рисунок 1 – Схема лабораторного стенду
Стенд складається із наступних одиниць: вибухового приладу ВП (в нашому випадку – це ВП – 75, а взагалі це може бути будь-який вибуховий прилад); магазину опорів R1; порівняльного опору R2 = 1 Ом; баластного опору R3 = 1 кОм; стабілітрону КС 133; і вивідних дротів, які під’єднуються до комп’ютера. Магазин опорів необхідний для перевірки приладу на різних опорах (моделювання вибухового ланцюга). Стабілітрон необхідний для захисту комп’ютера від перенапруги – коли напруга або сила струму підвищаться вище певного рівня, станеться пробій стабілітрона і конденсатор ВП розрядиться на баластному опорі. Перевірка роботи стенда здійснювалася за допомогою прилада ВП – 75 на трьох різних опорах вибухового ланцюга – 191, 201 і 221 Ом відповідно. В результаті були отримані дані (дані отримувалися за допомогою програми віртуального осцилографа – osciloscope 2.51) для подальшого розрахунку і побудовані криві імпульсу струму рис. 2 .
Рисунок 2 – Зображення імпульсів струму при різних опорах ланцюга
Обробка отриманих експериментальних даних здійснювалась на комп’ютері в середовищі MathCAD за допомогою власноруч написаної програми розрахунку, яка дозволяє визначити величину, тривалість імпульсу струму, величину струму на початку та в кінці подачі імпульсу, та максимальну величину напруги заряду конденсатора. Величина імпульсу струму, як одна із найважливіших характеристик приладу, розраховувалась методом трапецій. Даний метод дозволяє з достатньою точністю обробити експериментальні дані, які видаються набором точок. Інші параметри розраховувались і виводились на друк за рахунок використання нескладних логічних умов.
Як результат даного етапу випускної роботи можна виділити, що ми досягнули поставленої на цьому етапі мети, розробили, зібрали і випробували лабораторний стенд, написали програму обробки експериментальних даних на комп’ютері, та, в цілому, досить ефективно справилися з роботою.
Рисунок 3– Анімація роботи лабораторного стенду (5 кадрів, 7 циклів повторення, розмір 24 КБ).
Другим етапом роботи було визначення теоретичного часу спрацьовування електродетонаторів, та з’ясування причин, які на цей час впливають.
Електродетонатор (ЕД) – це пристрій для ініціювання вибухового перетворення в основному заряді вибухової речовини (ВР), при проведенні підривних робіт.
У теперішній час промисловість України виробляє та використовує ЕД нормальної чутливості до електричного імпульсу. Серед виробляємих ЕД є миттєвої, короткоуповільненої та уповільненої дії. Згідно діючих нормативно технічних документів час спрацювання ЕД миттєвої дії нормальної чутливості до електричного імпульсу при силі струму 1А повинен становити від 2 до 6 мс.
Мета даної частини роботи розглянути механізм спрацювання ЕД та теоретично визначити час спрацювання ЕД миттєвої дії, виявити фактори, які впливають на такий великий розбіг часу. Розрахунки та дослідження проводились авторами для запобіжних ЕД типу ЕДКЗ-ПМ миттєвої дії.
Час спрацювання ЕД миттєвої дії складається із наступних величин:
де 
– час нагріву мостика ЕД і запалювального складу головки до температури спалаху;
– час індукції запалювального складу;
– час передачі горіння ініціюючому складу;
– час горіння ініціюючої вибухової речовини (ІВР);
– час детонації ІВР;
– час детонації бризантної вибухової речовини (БВР);
Для розрахунку необхідно задатися або розрахувати вихідні дані, до яких відносяться теплопровідності, тепломісткості, щільності компонентів складу, його температура спалаху, а також параметри мостика накалювання.
Авторами експериментально, в лабораторних умовах у відповідності [1] встановлено, що температура спалаху запалювальної головки становить 186 градусів Цельсія.
Запалювальна головка складається з трьох шарів: запалювальний склад 1% Pb3O4 , по 49.5% KClO3 та Pb(CNS)2 ; інертний склад який складається із 3 – 5 в. ч. нітроклею, основний компонент якого нітроцелюлоза(НЦ) та 1 в. ч. Fe2O3 ; третій шар – це підфарбований нітролак. Щільності компонентів складу згідно різним джерелам становлять
Необхідні нам питомі тепломісткості візьмемо із довідкової літератури (попередньо поділивши значення із довідника на молекулярну масу, для отримання необхідної нам розмірності).
.
Маючи ці дані ми можемо визначити теплопровідності даних компонентів за формулою із джерела [5]:
де 
– тепломісткість речовини при постійному об’ємі (приблизно можна прийняти ізобарну тепломісткість);
– швидкість звуку в речовині;
– розмір кристалічного зерна.
Знаючи, що компоненти складу запалювальної головки просіюються через сито №49 розмір чарунки котрого 125 мкм [6] і приймаючи, що швидкість звуку в кожному із компонентів приблизно дорівнює 2000 м/с ми можемо визначити теплопровідності компонентів.
Знаючи теплопровідності окремих компонентів можемо визначити теплопровідності шарів запалювальної головки за рівнянням адитивності.
Теплопровідність першого шару:
Знаючи загальну, середню теплопровідність нітратів целюлози 
[7] і, що її в другому шарі (в складі нітроклею) приблизно 75% визначимо теплопровідність другого шару:
В наших розрахунках ми нехтуємо наявністю третього шару, тому що він порівняно досить тонкий, а також основним його складником є нітроцелюлоза (колоксилін) як і в другому шарі.
За рівнянням адитивності розрахуємо щільності першого, другого шарів, знаючи що їх маси відповідно становлять 0.17 і 0.053 г, а також загальну щільність запалювальної головки:
Умовно приймаючи форму запалювального складу кулеподібною, визначимо радіус запалювальної головки і товщину кожного шару:
Коефіцієнт тепловіддачі у навколишнє середовище (повітря навколо головки запалювального складу) визначимо за формулою із джерела [8]:
Для визначення часу нагріву запалюючого складу до температури спалаху проведемо розрахунок в якому визначимо за який час зовнішня поверхня першого шару запалювального складу прогріється до температури спалаху, тобто до 186 градусів. Розрахунок будемо проводити подібно розрахунку ізоляції.
Визначимо загальний коефіцієнт теплопередачі:
Температуру зовнішньої поверхні першого шару визначимо за формулами:
де 
– температура мостика;
де 
– температура навколишнього середовища (25 С);
де 
– температура зовнішньої поверхні першого шару електрозапалювальної головки;
Розрахунок температури нагріву електричного мостика і залежну від цього температуру зовнішньої поверхні першого шару виконаємо на ЕОМ за наведеними формулами зі зміною часу нагріву.
Температуру мостика будемо визначати за формулою:
де 
– сила струму (1А);
– опір мостика (2Ома);
– маса мостика (розрахована по його параметрам);
де – тепломісткість ніхрому [2];
Розрахунок на ЕОМ показав, що запалювальний склад прогрівається одночасно із електричним мостиком (це пов’язано із високою його теплопровідністю) і досягає температури спалаху за час 
(рис. 4), але при температурі спалаху суміш має великий час індукції, тому для досягнення спалаху необхідно прогріти до температури спалаху весь перший шар головки.
Рисунок 4 – Графік нагріву електричного мостика і першого шару запалювальної головки
Час індукції запалювального складу визначимо за формулою наведеною в роботі [1]:
де С – постійна, що залежить від складу;
Е – енергія активації складу (кал/моль) ;
R – газова постійна (1.986 кал/(моль град) );
Т – температура в кельвінах.
Приймаючи за енергію активації складу енергію активації бертолетової солі 
як головного сенсибілізатора визначимо час індукції запалювального складу при температурі спалаху:
Але враховуючи, що електричний мостик гріється порівняно швидше і через час 0.00064 с його температура становитиме 372 градуси (лінійна залежність рис. 1) визначимо час індукції запалювального складу:
Згідно проведених розрахунків ми можемо нехтувати часом індукції складу, а за суму часу нагріву містка і часу індукції приймаємо подвоєний час нагріву мостика до температури спалаху складу запалювальної головки.
Час передачі горіння ініціюючому складу – залежить від швидкості горіння складу запалювальної головки та від теплоти реакції. Реакція горіння першого шару електрозапалювальної головки проходить за схемою:
Теплота, що виділяється при проходженні реакції становить 4885.83 кДж [5, 10] на 690.5 г суміші, що відповідає 7.08 кДж на 1 г суміші. При повному згорянні першого шару виділяється 1203 Дж теплової енергії. Ця енергія йде на розігрів другого шару і продуктів реакції. Визначимо різницю температур на яку теоретично можуть нагрітися продукти реакції і компоненти другого шару запалювальної головки, знаючи масу головки і тепломісткість другого шару і продуктів реакції ( 
, визначено автором за даними [5]):
Відомо, що при температурі 390 градусів азид свинцю спалахує миттєво [11], тому ми можемо впевнено стверджувати, що енергії, яка виділяється при згорянні запалювального складу, цілком достатньо для ініціювання азиду свинцю. Передача імпульсу від запалювальної головки до ІВР здійснюється лише після того, коли горіння першого шару від центру вийде на поверхню, до другого шару. Горіння електрозапалювальної головки проходить у формі вибуху (спостереження). Згідно [12] швидкість детонації хлорату калію з різними горючими становить приблизно 1500 м/с . Знаючи що найменший лінійний розмір краплі складає 2 мм можемо визначити час виходу горіння першого шару на поверхню:
Умовно приймаємо цей час за час передачі горіння до ІВР.
Час горіння ІВР до переходу його у детонацію становить менше 1 мкс [11] (для розрахунків візьмемо 1 мкс).
Знаючи, що азид свинцю запресовується в ковпачок діаметром 5.25 мм, і користуючись іншими його параметрами [11] можемо визначити висоту його запресовки і :
можна визначити виходячи з швидкості детонації вторинного заряду та його довжини. Згідно з конструкцією ЕДКЗ-ПМ вторинний заряд має довжину 0.022 м і швидкість детонації близько 7500 м за секунду. Тому буде становити 0.022:7500=0.00000293 с, або близько 3 мкс.
Маючи всі необхідні дані можемо визначити загальний теоретичний час спрацьовування ЕД:
Великий розбіг між теоретичним часом спрацьовування ЕД і тим, що спостерігається на практиці, можна пояснити конструкцією ЕДКЗ-ПМ, у якого відстань від краплі (електрозапалювальної головки) до капсуля із ІВР складає 21.5 мм, яку повинні подолати часточки Fe2O3.
Висновки: 1. Для подальшого вивчення енергетичних та часових характеристик необхідно провести дослідження електрозапалювальної мережі ЕД на спеціальному стенді. 2. Для зменшення часу спрацьовування ЕД можна спробувати наблизити краплю до ІВР, змінивши конструкцію детонатора, або змінити склад запалювальної головки.
На сьогоднішній день ми маємо розроблений лабораторний стенд для перевірки характеристик вибухових приладів. Перспективою подальшої роботи є доопрацювання та удосконалення стенду із метою виконання на ньому досліджень електорозапалювальної мережі. Другим перспективним напрямком даної роботи є розробка та укладання лабораторного практикуму для студентів.
На час написання автореферату магістерська робота є незавершеною. Завершення роботи - грудень 2010. Повний текст роботи можна отримати у автора, або його керівника після вказаної дати.