УДК 666.9.015, 622.063.23

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ НА СКОРОСТЬ ИХ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ НЕВЗРЫВЧАТЫХ РАЗРУШАЮЩИХ СОСТАВОВ И.Г. Сахно

Донецкий национальный технический университет ул. Артема, 58, 83001, г. Донецк, Украина

Представлены результаты лабораторных исследований работы невзрывчатых разрушающих составов в различных температурных полях, при изменении теп­лофизических свойств разрушаемых материалов. Предложен метод оценки рас­порно-компрессионных характеристик невзрывчатых разрушающих составов при разной температуре.

Ключевые слова: невзрывчатые разрушающие вещества, саморасширение, гидратация, кристаллизация, объемная деформация, компонентный состав.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие технологий изготовления строитель­ных смесей различного назначения, различных добавок, позволяющих изменять пластичность, морозостойкость, водопоглощение, управлять скоростью гидрата­ции и кристаллизации растворов, привело к повышению интереса производствен­ников к современным разработкам, и позволило внедрить ряд новых технологий в производство. Многие ускорители, пластификаторы и гидрофобные добавки на­шли широкое применение в строительстве и горном деле. Достаточно привлека­тельной в настоящее время является технология невзрывного разрушения проч­ных монолитных объектов, основанная на применении невзрывчатых разрушаю­щих составов (НРС), являющаяся альтернативой традиционному взрывному спо­собу разрушения. Достоинствами этой технологии является отсутствие динамиче­ского воздействия на разрушаемый объект, выделения вредных газов, звуковых и других колебаний. Для реализации способа не требуется приобретения дорого­стоящего специального оборудования, или устройств, способ может быть реали­зован вблизи транспортного и электрического оборудования. При этом исключа­ется возможность их повреждения из-за отсутствия разлета частей разрушаемого объекта.

Однако, несмотря на заманчивые перспективы, практическое применение указанного способа разрушения ограничивается разрушением несущих элемен­тов и фундаментов при демонтаже зданий, также есть опыт дробления негаба­ритных блоков с помощью НРС при добыче полезных ископаемых открытым способом. Это можно объяснить высокой чувствительностью разрушающих со­ставов к температурному режиму, точности соблюдения водопорошкового от­ношения при затворении, а самое главное длительное по сравнению со взрыв­ным способом время разрушения.

В настоящее время разработано большое количество различных составов НРС, однако стабилизация их свойств при различных условиях применения не достигнута. Факт влияния температуры окружающей среды на скорость разру­шения объектов известен [1-4], известна закономерность снижения давления саморасширения НРС при понижении температуры [2], исследовано влияние температуры окружающей среды на скорость гидратации [5]. При этом основное внимание исследователи обращали на снижение эффективности работы НРС в условиях низких положительных и отрицательных температур. Для условий подземных горных выработок угольных шахт Донбасса такая постановка вопро­са не является актуальной, поскольку массив пород в подавляющем большинст­ве случаев имеет температуру более 20⁰С. Более актуально изучение особенно­стей работы невзрывчатых разрушающих составов в температурных полях, свойственных породам, вмещающим подземные горные выработки.

Цель работы - расширение области применения НРС, в частности использо­вание их в условиях подземных горных выработок.

МАТЕРИАЛ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основной задачей явля­ется сокращение времени разрушения и исключение явления самопроизвольного выброса НРС из шпура в процессе его гидратации. Для решения этой задачи ав­тором проводятся комплексные исследования свойств саморасширяющихся ма­териалов на основе оксида кальция, с позиций их применения в шпуровых и скважинных зарядах.

Скорость разрушения материалов при помощи НРС зависит от интенсивности повышения давления саморасширения до возможного максимума, а поскольку скорость роста давления саморасширения определяется образованием и ростом но­вых кристаллов в результате физико-химических превращений при гидратации ок­сида кальция, актуальным является вопрос исследования факторов, влияющих на скорость гидратации. Проведение экспериментальных работ по применению НРС для разрушения горных пород в условиях подземных горных выработок позволило сделать вывод о существенном несоответствии в скорости роста давления само- расширения, получаемого в лабораторных условиях, с натурными наблюдениями даже при их работе в одном температурном поле. Для изучения этого явления были проведены лабораторные исследования особенностей протекания реакции гидрата­ции в различных материалах вмещающих заряд НРС.

Приготовленный раствор НРС при помощи шприца помещали в цилиндри­ческие оболочки диаметром 2 см из различного материала. В качестве материала оболочек применяли пенопласт (1), пластик (2), дерево (сосна) (3), гипс (4), сталь (5), объем раствора НРС в оболочках составлял 2 см . Температура окру­жающей среды при эксперименте составляла 23 ⁰С.

Исследования, представленные в работе [5], показали что в качестве индика­тора скорости процесса гидратации может выступать изменение температуры НРС. Поэтому внутрь оболочки с НРС устанавливали электронный лаборатор­ный термометр с точностью 0,1⁰С. Затем при помощи видеосъемки фиксировали изменение температуры материала во времени. После обработки результатов эксперимента получили графики характеризующие скорость гидратации НРС, помещенного в оболочки из различных материалов (рис. 1).

Анализ результатов эксперимента показывает, что НРС, помещенный при оди­наковой температуре в материалы с разными теплофизическими свойствами, имеет разную скорость гидратации, а также разную скорость и абсолютную величину

приращения объема. В качестве критерия, позволяющего учесть теплофизические свойства материалов целесообразно принять коэффициент температуропроводно­сти. Так, для проведенного эксперимента температуро-проводность составит: пе­нопласт - 0,000130, пластик - 0,000199, сосна - 0,000212, гипс - 0,000382, сталь - 0,01273 м²/с соответственно.

 

Поскольку рассматриваемый процесс является экзотермическим, а на скорость реакции гидратации оказывает существенное влияние температура, то следует учи­тывать теплообменные процессы между НРС и вмещающим его материалом. Дру­гими словами - происходит рассеяние тепловой энергии от самонагревающегося в результате физико-химических превращений состава НРС в окружающий массив. Чем больше тепловой энергии сохраняет состав, тем больше скорость его гидрата­ции и роста структурных новообразований. Процесс охлаждения внутришпурового заряда НРС является нестационарным тепловым процессом.

Моделирование при нестационарных режимах должно выполняться с соблюдени­ем критериев подобия теплопроводности [6]. В нашем случае в качестве критерия по­добия целесообразно принять число Фурье, которое характеризует соотношение ме­жду скоростью изменения тепловых условий в окружающей среде и скоростью пере­стройки поля температуры внутри рассматриваемого тела, который зависит от разме­ров тела и коэффициента его температуропроводности:

 

где а - коэффициент температуропроводности;

I - характерное время изменения внешних условий, час; Ь - характерный размер тела, м.

 

где х - теплопроводность, Вт/(мК);

с_р - изобарная удельная теплоемкость, кДж- кг К ; р - плотность, кг/м³.

При моделировании имитируется заряд НРС, помещенный в ампуле в шпур диаметром 0,04 м пробуренный в блоке песчаника размерами 0,5х0,5х0,3 м. В качестве материала, содержащего НРС, при моделировании принимается вода. Необходимый диаметр (Ь) оболочки с водой, при диаметре оболочки с НРС при моделировании, равным 0,04 м, и одинаковом времени изменения внешних ус­ловий (нагревание НРС при гидратации) рассчитаем с учетом приведенного выше критерия подобия:

 

С учетом полученных результатов был проведен эксперимент, в котором приготовленный раствор НРС помещался в тонкую резиновую оболочку диа­метром 0,04 и длиной 0,25 м, внутрь которой устанавливали лабораторный элек­тронный термометр для фиксации температуры смеси при гидратации. Эта кон­струкция помещалась в прозрачную оболочку цилиндрической формы диамет­ром 0,19 м, наполненную водой на высоту 30 см. На цилиндрической оболочке была нанесена шкала для фиксации объемных изменений НРС. Увеличение объ­ема состава является индикатором роста количества и размеров структурных но­вообразований, а следовательно давления саморасширения НРС. Температура затворенного раствора в начале всех экспериментов составляла 22⁰С.

Температура воды при проведении моделирования изменялась в диапазоне 20­50⁰С, в течение каждого эксперимента кратковременное отклонение температуры воды от заданного на протяжении опыта могло составлять 1⁰С, что связано с тех­нической стороной эксперимента. Температура 20⁰С соответствовала рекомендуе­мому режиму работы НРС [7], детально проработан диапазон 30-40 градусов, по­скольку в этом диапазоне находится температура вмещающих пород большинства шахт Донбасса. График изменения температуры НРС и его объемных изменений в зависимости от температуры окружающей среды приведен на рис. 2.

Анализ результатов проведенных экспериментов показывает, что повышение температуры окружающей среды приводит к интенсификации скорости гидратации и соответственно - к увеличению объемных изменений материала. Так, при температу­ре окружающей среды 20⁰С рост температуры НРС начинается через 175 мин. после затворения раствора, а объемные изменения - через 270 минут. Начало объемных из­менений материала начинается при температуре 40⁰С. Максимальное увеличение объема материала достигает 20% от первоначального, температура НРС возвращается к начальной через 360 мин., изменение объема материала не происходит.

 

При температуре окружающей среды 30⁰С рост температуры НРС начинает­ся через 90 минут после затворения раствора, а объемные изменения через 120 минут, начало объемных изменений материала начинается при температуре НРС около 40⁰С, что характерно для всех экспериментов. Максимум достигнутой температуры составляет 45 градусов. Следует отметить, что объем НРС увели­чивается плавно в течение 120 мин., несмотря на снижение температуры от 45 до 33⁰С.

При температуре окружающей среды 32, 35, 37, 42, 50⁰С наблюдается другой характер работы НРС, заключающийся в резком скачкообразном повышении температуры состава при достижении им отметки около 50⁰С и соответственном увеличении объема материала.

Повышение начальной температуры окружающей среды до 32, 35, 37, 42, 50⁰С приводит к началу роста температуры НРС через 60, 40, 30, 18 и 4 минуты соответственно, а период интенсивного роста температуры и объема НРС начи­нается через 95, 64, 40, 18 и 5 минут соответственно. Максимальная температура при этом изменяется от 150 до 195⁰С, а объем увеличивается на 100-160%. Гра­фики, характеризующие время начала роста температуры НРС и его объемных изменений при различной температуре материала вмещающего состав приведе­ны на рис. 3.

 

Анализ графиков, представленных на рис. 3 показывает, что время начала гидратации и роста объема структурных новообразований экспоненциально за­висят от температуры материала, содержащего НРС. Так, время начала гидрата­ции НРС, индикатором которого служит рост температуры состава, при повы­шении температуры объекта, его вмещающего, в диапазоне 30-50⁰С, с коэффи­циентом корреляции 0,994 описывается зависимостью:

 

а время начала роста структурных новообразований, индикатором которого служит рост объема материала, при повышении температуры объекта его вме­щающего в диапазоне 30-50⁰С, с достоверностью аппроксимации 0,997 описы­вается зависимостью:

 

В настоящее разработано большое количество составов НРС, а т.к. техноло­гия производства материала не позволяет точно соблюдать пропорции входящих химических веществ, существует разброс свойств между декларируемыми пока зателями и фактическими. Такой разброс наблюдается не только между партия ми поставляемого НРС, но даже в пределах одной партии. Поэтому для объек­тивного обоснования параметров различных технологий, основанных на приме­нении НРС, необходима периодическая оценка распорно-компрессионных ха рактеристик применяемых составов в условиях температурных полей и тепло физических свойств разрушаемых материалов.

Для этой цели был разработан специальный стенд для испытаний невзрыв­чатых разрушающих веществ, в котором обеспечивается возможность проведе­ния комплексных исследований свойств невзрывчатых разрушающих веществ в различных температурных полях (рис. 4).

Стенд для испытаний невзрывчатых разрушающих веществ, содержит источник внешнего давления 1, между силовыми элементами устанавливается корпус 2 с ис­пытательной камерой 3, внутрь которого помещается подвижный поршень 4. В кор-

пусе испытательной камеры 3 содержится нагревательный элемент 5, который со­единен с датчиком температуры 7, установленном на внутренней стороне камеры 3, и соединенном с блоком управления 8. В испытательной камере 3 также размещен датчик температуры 9 игольчатого типа исследуемого образца 10 НРС. Между сило­выми элементами источника внешнего давления 1 устанавливается индикатор часо­вого типа 12.

 

Размещение в корпусе испытательной камеры нагревательного элемента, соеди­ненного с датчиком температуры, установленном на внутренней стороне камеры и имеющем выход к блоку управления, позволяет задавать различные температурные режимы среды, вмещающей НРС, что дает возможность моделировать работу раз­ных составов НРС в различных температурных полях. Снабжение корпуса испыта­тельной камеры датчиком температуры исследуемого образца НРС позволяет фик­сировать самонагревание НРС в процессе гидратации, что дает возможность сделать вывод о скорости протекания реакции гидратации и ее стадии, а также исследовать связь между изменением температуры НРС и давлением его саморасширения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Согласно плану экспе­римента на блоке управления 8 выставляют требуемую температуру внешней среды, которая будет равна температуре корпуса 2. При необходимости повышения темпера­туры корпуса 2 включается нагревательный элемент 5, фиксация температуры произ­водится датчиком температуры 7. После достижения требуемой температуры корпуса 2 в испытательную камеру 3 корпуса 2 помещают образец 10 исследуемого НРС. При этом датчик 9 игольчатого типа фиксирует температуру образца 10 и передает данные на блок управления 8. В корпус 2 испытательной камеры 3 сверху исследуемого об­разца 10 НРС устанавливают поршень 4. Приготовленные таким образом корпус 2 с поршнем 4 помещают между силовыми элементами источника внешнего давления 1. Согласно плану эксперимента устанавливают необходимое внешнее давление. Уве­личение объема образца 10 НРС в процессе его гидратации создает давление на пор­шень 4, фиксируемое датчиком давления источника внешнего питания 1, а также вы­зывает повышение температуры образца 10, фиксируемое датчиком температуры 9, при этом силовые элементы источника внешнего питания 1 смещаются их перемеще­ния фиксируются индикатором часового типа 12. Все регистрируемые данные запи­сываются в модуль памяти блока управления 8.

Учет теплофизических свойств разрушаемых материалов при таком модели­ровании проводится через поправочный коэффициент, получаемый опытным путем при проведении серии тестовых экспериментов.

ВЫВОДЫ. Скорость реакции гидратации и роста объема структурных новооб­разований в НРС, определяющая время разрушения объектов, экспоненциально за­висит от температуры среды вмещающей состав. Повышение температуры НРС в процессе гидратации до 50⁰С приводит к ее скачкообразному росту выше отметки 100 ⁰С и образованию паров структурно несвязанной воды, давление которых при­водит к выбрасыванию смеси из шпуров. Поэтому управление скоростью гидрата­ции оксида кальция путем простого повышения температуры не позволит повы­сить скорость разрушения объектов и эффективность работы НРС.

Скорость гидратации и давление саморасширения НРС зависит не только от температуры состава, но и от теплофизических свойств материала, в который он помещен, что объясняется потерями тепловой энергии НРС за счет ее рассеяния в окружающую среду. В качестве критерия, позволяющего учитывать теплофи­зические свойства материала вмещающего НРС, целесообразно использовать коэффициент температуропроводности.

Высокая эффективность НРС может быть достигнута при условии максимально быстрой его гидратации и при этом недостижении составом температуры 50⁰С, по­скольку эта величина является пороговой для скачка скорости реакции.

Для объективного обоснования параметров различных технологий основан­ных на применении НРС, необходима периодическая оценка распорно­компрессионных характеристик применяемых составов в условиях температур­ных полей и теплофизических свойств разрушаемых материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Шевцов М.Р., Калякин С.О., Купенко 1.В. 1 ш. Стан технологи та обгрунтуван- ня умов руйнування сущльного середовища прських порщ 1 будавельних конструк­ций // Проблеми прського тиску. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - N° 17. - С. 226-249.

2.  Декларацшний патент на винахщ ИА 59940 А; опубл. 15.09.2003 р., Бюл. N° 9.

3.  Авторское свидетельство СССР 8И 1186595 А; опубл. 23.10.1985.

4.  Коровников В.И., Стариков Г.П., Морев А.М., Коврига Н.Н. Фазовое сос­тояние саморасширяющегося водного раствора и его разрушающее воздействие на шахтные образцы пород // Снижение травматизма при взрывных работах в угольных шахтах: Сб. научн. тр. МакНИИ, 1988. - С. 81-93.

5.  Касьян Н.Н., Сахно И.Г., Шуляк Я.О. Обоснование методов управления скоро­стью роста распорно-компрессионных характеристик невзрывчатых разруша-ющих веществ // Вют! Донецького прничого шституту. - 2010. - № 2. - С. 209-219.

6.  Кутателадзе С. С. Анализ подобия и физические модели. - Новосибирск: Наука, 1986.

7.  ТУ У В.2.7-26.5-24478901-004:2007 Невибухова руйнуюча речовина. Техшчш умови. - на замшу ТУ У БВ 2.7.00030937.089397. Без обмеження термшу да. - Харь­ков: Госстандарт. Харьковский центр стандартизации и аэрологии, 2007. - 14 с.