CC BY
14УДК 622.235; 622.355
А.Е. ФРАНТОВ, канд. техн. наук,
Институт комплексного освоения недр (УРАН ИПКОН РАН, Москва)
Эффективность применения конверсионных взрывчатых материалов при добыче строительных горных пород
При разработке скальных и полускальных горных пород трудоемкость взрывоподготовки к выемке в общем комплексе добычных работ достигает 20—40%. Совершенствование взрывных технологий является значительным резервом повышения эффективности горных работ. Институт УРАН ИПКОН РАН проводит изыскания по повышению эффективности, надежности и безопасности работ при использовании на карьерах конверсионных взрывчатых материалов (ВМ) с целенаправленно модифицированными свойствами. В рамках экспедиционных работ в Северо-Кавказском регионе и Краснодарском крае выполнены исследования при разработке месторождений гипса, мергеля, мергелистого известняка, известняка. Параметры буровзрывных работ на обследованных предприятиях приведены в табл. 1. Скважины на большинстве карьеров обводняются сезонно, за счет притока атмосферных осадков. Сухая часть скважины заряжается аммиачно-селитрен-ными взрывчатыми веществами (ВВ) заводского или местного изготовления. Обводненная часть — конверсионным ВВ — гранипором ФМ.
Исследовались модификации свойств конверсионных ВВ (структуры пороховых смесей, плотности и запаса энергии заряда) в различных условиях применения (обводненные скважины, различные диаметры зарядов).
Изменение физической структуры ВВ является одним из путей управления энергией взрыва. Гранипоры представляют собой смесь артиллерийских зерненых и дробленых порохов (пироксилиновых и/или баллиститных),
имеющую дискретную структуру и состоящую из соприкасающихся пороховых гранул и пустот между ними.
Связь между гранулами в такой смеси позволяет им перемещаться и изменять в определенных пределах форму и внутреннюю конфигурацию структуры. Это создает предпосылки получения более компактной укладки, позволяющей увеличить массу вещества в единице объема. При проведении фотогеометрического анализа структуры гранипора ФМ определяли форму пороховых зерен, характер поверхности, тип межзерновых контактов, анизометричность расположения. Для экспериментального определения размеров гранул пороха гранипор рассеивали на ситах с ячейкой 2, 5, 7 и 10 мм (рис. 1).
Зерненые пороха, сохранившие первоначальную форму со слегка сглаженными ребрами, характеризуются как плохо окатанные, а дробленые пороха с острыми краями, как совершенно неокатанные. Зерненые пороховые элементы имеют слабую шероховатость и по своим свойствам приближаются к «идеальной» гладкой поверхности. Зерна дробленых пороховых элементов обладают выраженной шероховатостью поверхности с максимальной высотой неровностей 2—3 мм и шириной 2—4 мм, из-за чего меняется характер взаимодействия частиц зерненых и дробленых порохов при заряжании скважин. Для гранипора характерны контакты: точечные — зерна соприкасаются в одной точке; линейные — соприкасаются по отрезку прямой различной протяженности.
Таблица 1
Параметры буровзрывных работ
Месторождение Породы Крепость породы, категория по СНиП Диаметр скважин, мм Сетка скважин, мхм Глубина скважин, м Удельный расход ВВ, кг/ м3 Выход с 1 п. м скважины, м3/п. м Расположение скважин на уступе
Шедокское Гипс 90-160 3,3x3,4-6x6 11,2-11,9 0,41-0,43 10,4-30,26 Вертикальные
Шушукское Гипс 110-150 3,5x3-4,5x4,5 9,5-10 0,67 8,8-16,2 Вертикальные
Адербиевское Мергель 130 4x4 10-12 0,6 11,6-12,8 Вертикальные
Новороссийское 1 Мергель, глина, песчаник VII 110-250 3,5x3-11x11 17-22,5 0,45 9-53,8 Вертикальные, наклонные и парносближенные
Верхнебаканское Мергелистый известняк VII 130-150 4x4-5x5 12-17 0,4-0,45 13,9-18,8 Вертикальные, парносближенные
Богогоевское Известняк VII 130-150 4x4-4,5x4,5 10 0,55 12,8-16,2 Вертикальные
Новороссийское Мергель VII 100-150 4x4-5x5 12 0,45-0,56 11,6-18,8 Вертикальные, парносближенные
Новороссийское IV Мергель VII 110-250 3,5x3-7,8x7,8 17-17,5 0,45 9-53,7 Вертикальные, наклонные и парносближенные
Мезыбское Известняк VII 130 4x4 10 0,6 12,8 Вертикальные
Неберджаевское Известняк VIII 150 4x4-5x6 13,5 0,4 23,8 Вертикальные, парносближенные
Хаджохское Известняк VII 110-130 3,5x3-4,2x3,8 17,5 0,65 9-13,7 Наклонные
научно-технический и производственный журнал С^ТЯиЯТ^.Ь.НЬ,!"
Рис. 1. Форма (а) и размер зерен (б) пироксилинового пороха в гранипоре
Для описания структуры гранипора применена глобулярная модель пористой среды. Моделирование структуры показало влияние формы, размеров и их соотношений на пористость смеси. По форме исследуемые пороховые зерна гранипоров классифицированы как пластины и цилиндры. Типизированной форме соответствует сферическая поверхность, описываемая вокруг порохового элемента, принимаемая за размер глобулы. В реальной среде глобулы отличаются от шара, и следует говорить о форме гранулы. Отношение диаметра цилиндра к длине или ширины пластины к длине определяет форму гранулы, которую используют для описания анизометричности расположения гранул.
Фактор формы использован для определения размера межзерновых пор [1]:
_ Фп
Фгр 1-е
где фп и фгр — факторы формы пор и глобул; Rгл — размер глобул; Rп — размер пор; £ — пористость, задаваемая плотностью упаковки.
Геометрические характеристики модельных зерне-ных порохов приведены в табл. 2.
Структура смеси определена для глобул размером 1—20 мм (табл. 3). Для модельной среды приняты показатели кубической упаковки с пористостью 0,476 и координационным числом (ЛТу), равным 6, что согласуется с упаковками реальных пористых материалов. Совместное влияние формы гранул и их распределения по размерам проявляет себя более сложным образом. С увеличением сложности смеси пористость снижается за счет заполнения мелкими гранулами пустот между крупными гранулами. Смесь глобул размером 10 мм, поровое пространство которой заполнено глобулами размером 1 мм, имеет пористость 0,227. При учете фактора формы гранул для пластины, цилиндра и сферы характерные размеры пор отличаются в три раза. При расположении мелких гранул в участках контактов крупных гранул проявляется сводовый эффект, приводящий к увеличению пористости за счет увеличения межзерновых пор.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что увеличению гравиметрической плотности гранипоров способствует усложнение смеси зерен порохов, в которой преобладают крупные фракции над более мелкими. В процессе измельчения порохов зерна по форме должны иметь более совершенную окатан-ность и шероховатость поверхности с отношением минимального размера зерна к максимальному 0,6—0,9.
По детонационной способности [2] пороха делят на группы:
^^¡ф, и 6^,
кр>
где 6 — диаметр порохового элемента, мм (в нашем случае сферическая поверхность, описываемая вокруг порохового элемента и принимаемая за размер глобулы); dкр — критический диаметр детонации пороха, мм.
Природа пороха, структура заряда и условия взрывания (взрывание сухого, увлажненного или водонапол-ненного пороха) оказывают существенное влияние на критический диаметр детонации. Для семиканальных порохов скорость детонации монотонно меняется в зависимости от диаметра зерна. Однако для отдельных размеров пороховых зерен имеется аномальное увеличение критического диаметра заряда (до 55—57 мм в увлажненном состоянии и до 27—28 мм в водонапол-ненном состоянии). Это обусловлено распространением детонационной волны не сплошным фронтом, а по отдельным пороховым зернам [3]. Наличие разно-
Таблица 2
Геометрические характеристики модельных зерненых порохов
Форма порохового элемента Геометрические характеристики модели пороховых зерен
Радиус глобулы, мм или Б/1 Фактор формы гранулы
Пластина 0,55-0,94 0,19-0,32 2
Цилиндр 0,86-2,02 0,33-0,91 4
Цилиндр 8,15 0,43 4
Таблица 3
Показатели упаковки модельных глобул и гранул разной формы
Вгл, мм "у £, доли ед. ^меси доли ед. Размеры полости Ип с учетом фактора формы гранул, мм Размеры пор модели г*пор, мм
пластина цилиндр сфера устья полости
1 6 0,476 - 0,73 0,37 0,25 0,41 0,73
5 6 0,476 - 3,66 1, 83 1,23 2,07 3,66
10 6 0,476 - 7, 32 3,67 2,46 4,14 7,32
20 6 0,476 - 14,64 7,34 4,92 8,28 14,64
Г^ научно-технический и производственный журнал
®
24
20
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Коэффициент заполнения
Рис. 2. Изменение бризантности пироксилинового пороха в зависимости от коэффициента заполнения пор
родных контактов между пороховыми зернами (линейных, плоскостных, точечных) способствует возникновению воздушных ударных волн (УВ), которые распространяются со скоростью, значительно превышающей скорость УВ в пороховом зерне. При этом скорость воздушных УВ будет зависеть от взаимного расположения контактирующих пороховых зерен.
На предприятиях гранипоры применяют для заряжания обводненных или частично обводненных скважин. Заполнение пустот между гранулами пороха по высоте заряда различается. В верхней части заряда, переходящей от воздуха к воде, гранулы пороха покрыты слоем воды, а в нижней части скважины вода полностью заполняет пустоты между гранулами пороха. При превышении водой объема межгранульного пространства структура распределения гранул в пространстве нарушается, и гранулы разъединяются. Взрывчатые свойства гранипора оценивают по бризантности, зависящей от коэффициента заполнения [4] (рис. 2). Зависимость построена для смеси пироксилинового пороха и легкоплавких предельных и циклических углеводородов. Видно, что при коэффициенте заполнения 0,03— 0,05 наполнитель оказывает флегматизирующее действие за счет покрытия поверхности пороховых гранул, затрудняющего их воспламенение и горение. В диапазоне изменения коэффициента заполнения от 0,05 до 0,4 флегматизирующее действие наполнителя возраста-
7
47,5
95
d, мм
142,5
190
Рис. 3. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда для пороха НБ-40 (■ - эксперимент [5]; □ - расчет)
ет по мере заполнения пор. При этом бризантность пороха монотонно снижается до локального минимума при коэффициенте заполнения 0,4. По мере возрастания коэффициента заполнения от 0,4 до 1 однородность заряда повышается, он приобретает гомогенную структуру и при коэффициенте, равном 1, бризантность пироксилинового пороха достигает локального максимума. При коэффициенте заполнения больше 1 концентрация гранул пороха в единице объема снижается, что ведет к уменьшению объемной концентрации энергии заряда. Физические и химические свойства наполнителя влияют на бризантность пороха, но увеличение бризантности сохраняется независимо от природы наполнителя и, следовательно, качественные закономерности для разных видов наполнителей (вода, пентан, глицерин, компрессорное масло, вазелин) носят общий характер [4]. Рассмотренные данные по бризантности пироксилинового пороха в присутствии наполнителя позволяют разработать рекомендации по безопасности и безотказности взрывания гранипоров как смеси порохов.
В обводненных скважинах при коэффициенте заполнения, равном 1, бризантность гранипора максимальна. При изменении коэффициента заполнения от 1 до 0,4 бризантность снижается до минимума. В верхней части скважины коэффициент заполнения пор 0,03—0,05, и бризантность гранипора близка к значению сухого состава. При формировании комбинированных зарядов из аммиачно-селитренных ВВ и грани-поров в обводненных скважинах происходит расслоение заряда. Аммиачная селитра при контакте с водой частично растворяется, и полученный раствор заполняет пространство между гранулами пороха. Это характерно для всех типов аммиачно-селитренных ВВ. В тротилосодержащих аммиачно-селитренных ВВ при переходе аммиачной селитры в раствор образуется обогащенный тротилом слой. Снижение концентрации гранул пороха в единице объема может происходить в период заряжания обводненных скважин. Однако в дальнейшем пороховые гранулы оседают и формируют соответствующую структуру гранипора. Рассмотренные факторы необходимо учитывать при выборе схем инициирования комбинированных зарядов.
При взрывании гранипоров данных о параметрах детонации бывает зачастую недостаточно, в связи с этим возникает необходимость теоретической оценки скорости детонации. Взрывание в практических условиях проводится в зарядах диаметром 90—250 мм, т. е. больше критического, но меньше предельного. В работе [5] показано, что для широкого круга ВВ зависимость скорости неидеальной детонации для ВВ различной плотности имеет вид:
=мщ,
где Б1 — скорость детонации; — идеальная скорость детонации; а — характерный размер, связанный с шириной зоны химической реакции; Я — радиус заряда. Функция /зависит от условий распространения детонации, формы заряда, наличия оболочки и др. факторов.
Используя рассматриваемый подход, построим зависимость скорости детонации от диаметра заряда и проведем расчет скорости детонации для произвольно выбранных диаметров порохового заряда НБ-40 с содержанием 60% пироксилина и 40% нитроглицерина. По экспериментально определенной скорости детонации для зарядов диаметром 50, 60 и 80 мм [6] рассчитываем параметры идеальной скорости детонации с учетом минимальных сумм квадратов отклонений опытных величин скорости детонации, отнесенных к идеальной скорости детонации от заданной функ-
научно-технический и производственный журнал С^ТЯиЯТ^.Ь.НЬ,!"
Таблица 4
Расчетные скорости детонации зарядов различного диаметра пороха НБ-40
Диаметр заряда, мм 100 110 130 150 160
Скорость детонации, м/с 5215 5362 5582 5732 5781
ции [5]. На основании рассчитанной скорости детонации 6199 м и значениям скорости детонации для выбранных зарядов рассчитываем скорость детонации в искомых диаметрах заряда. На рис. 3 для пороха НБ-40 приведены опытные и расчетные данные, описываемые единой зависимостью Di/Did = У(а/Я), а в табл. 4 даны расчетные значения скорости детонации для зарядов разного диаметра.
Выводы
1. На основании теоретических исследований и экспериментальных данных разработан метод расчета параметров буровзрывных работ, позволяющий с достаточной для практики достоверностью оценивать технологические свойства конверсионных ВВ (гра-нипоров) с учетом гравиметрической плотности, бризантности, скорости детонации.
2. Управления гравиметрической плотностью гранипо-ров достигают усложнением смеси с преобладанием крупных фракций порохов, использованием гранул с более совершенной окатанной формой и менее шероховатой поверхностью и соотношением минимального размера гранулы к максимальному 0,6—0,9.
3. Установлено, что безопасное и эффективное применение гранипора в обводненных условиях в сущест-
венной мере влияет на коэффициент заполнения пустот между гранулами. Показано, что при коэффициенте заполнения 1 бризантность гранипора максимальна, в диапазоне 0,05—0,4 существенно снижена, а при значении более 1 происходит отказ детонации.
4. С учетом широкого диапазона физических, технологических и взрывчатых свойств конверсионных ВВ и их модификаций при утилизации применение гранипора позволяет повысить объемную концентрацию энергии заряда, увеличить степень дробления на 10—15% и снизить затраты на вторичное дробление пород.
Ключевые слова: конверсионные взрывчатые материалы, модифицированные взрывчатые вещества, гранипор,
буровзрывные работы, обводненные скважины.
Список литературы
1. Михайлов Н.Н. Геолого-технологические свойства пластовых систем. М.: МАКС Пресс, 2008. 144 с.
2. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. Изд. 3-е, перераб. В 2 т. Т. 1. М.: Физматлит, 2002. 832 с.
3. Занегин И.В., Карачинский С.И. Детонационные и физико-химические свойства артиллерийских порохов // Физика горения и взрыва. Т. 37. 2001. № 5. С. 81-84.
4. Апин А.Я. Роль наполнителей при детонации взрывчатых веществ и порохов: Сб. Физика взрыва. АН СССР. 1953, № 2. С. 150-166.
5. Болховитинов Л.Г., Викторов С.Д. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда // Физика горения и взрыва. 1976. № 5. С. 799-801.
6. Веретенников В.А., Дремин, А.Н., Шведов К.К. Детонация пористых ВВ // Физика горения и взрыва. 1969. № 3. С. 338-347.
I УГЛАСТ
Термопластик "Новопласт"-для маркировщиков кареточного и экструдерного типа.На Основе нефтеполимерных смол. Используется для разметки автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием.
ООО "Технопласт" производитель высококачественных дорожно-разметочных материалов, применяемых на дорогах всех категорий
Спрей-пластик "Новопласт-спрей" для спрей-машин наносится методом распыления. Незаменимый материал для обновления и ремонта старой разметки.
Краска АК-503 "Колор-М" Выпускается в готовом к употреблению виде и предназначена для нанесения безвоздушным и воздушным способом распыления дорожной и аэродромной разметки.
Цветные противоскользящие покрытия. Для разметки остановок общественного транспорта, пешеходных переходов и т.п.На основе холодного пластика "Технопласт ТХП"
по нанесению дорожной разметки
Контактные тепефоны:(495)940-80-51 тел/факс
(495)941-93-13, E-mail: t_plast@mail.ru, www.zaotechnoplast.ru
Реклама
■■Q"Г?10'А Г=]\Ьа научно-технический и производственный журнал
ivJ ®
