CC BY
25
УДК 662.271.2:622.235
Е.А. Петров, Е.А. Ерамасов, Л.А. Пилюгин, А.А. Аверин
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», Бийский технологический институт
Исследование параметров горения газообразующих материалов
пиротехнического типа
Представлены экспериментальные данные стендовых и натурных испытаний газообразующих материалов, применяемых для невзрывной добычи блочного камня
Для получения блочного камня наиболее приемлемым является невзрывной способ с использованием газообразующих материалов (ГОМ), создающих давление в шпуре при квазистатическом нагружении за счет реакции горения в дефлаграционном, а не в детонационном режиме [1, 2].
Публикаций по созданию и исследованию ГОМ недостаточно для инженерного проектирования рецептур. В работе [1] указывается, что при горении газогенерирующих составов в замкнутом объеме важными показателями являются давление газов Р и темп его роста ДР/Д^ В качестве показателей исследуется линейная скорость горения и, продолжительность горения образцов от начала их воспламенения и максимальное Р в манометрической бомбе. В качестве ГОМ исследуется состав на основе хлората натрия и полиэтилена. Линейная скорость горения состава 0,9-1,33 мм/с достаточна для мягкого отделения блоков [2].
Поскольку известные составы отличаются как по восприимчивости к инициирующему импульсу, так и по выходу на устойчивый режим горения, основными эксплуатационными показателями ГОМ могут служить экспериментальные значения Р и ДР/Д^ так как в итоге эти параметры являются проявлением термодинамических и кинетических характеристик процесса горения.
Ниже приведены результаты стендовых и натурных испытаний различных по рецептуре и характеристикам составов ГОМ пиротехнического типа.
В стендовых испытаниях оценивались Р и ДРАМ в условиях стационарного режима горения. Эксперименты осуществлялись при сжигании образцов массой 7 г диаметром 18 мм в манометрической бомбе нарастающего давления объемом 125 см3 с фиксацией Р и времени горения на осциллограмме. Воспламенение образцов осуществлялось от электровоспламенителя фейерверочного (ЭВФ) и дымного ружейного пороха (ДРП) массой 1 г.
Натурные испытания проводились в железных трубах, имитирующих шпур, и при отбойке блочного мрамора на карьере ОАО «МКК Алтаймраморгранит» в п. Пуштулим Алтайского края. Длина труб - 1,5 м, диаметр 36-40 мм, толщина стенки - 3,5 мм. С одного конца трубы заварива-
лись железной пластиной толщиной 3,5 мм. На дно трубы помещался испытуемый образец массой 100 г, а затем труба заполнялась песком и заглушалась деревянной пробкой. Поджигание образцов осуществлялось от ЭВФ и ДРП. В условиях карьера при отбойке блочного камня применялись цилиндрические патроны массой по 100-200 г в бумажной оболочке. Длина шпуров составляла: при раздвижке блока от массива - до 4,5 м, при разделывании блока на элементы - от 1,1 до 1,5 м. Расстояние между шпурами от 35 до 90 см. Шпуры бурились с недобуром 20-30 см до дна. На дно шпура опускался патрон с воспламенителем ЭВФ и 5 г ДРП. Провода воспламенителя выводились наружу, а шпур забивался глиной.
Расчетные характеристики и результаты стендовых испытаний составов ГОМ приведены в таблице 1, а наиболее показательные графически на рисунке 1.
Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные характеристики ГОМ
Характеристики Значения характеристик ГОМ
Q, кДж/кг 4072 3090 2846 2830 3870 4050 2788
V, л/кг 560 728 1000 510 801 459 890
Т, 0С 3300 2820 2030 2067 3224 3296 1830
р, г/см 1,35 1 ,23 0,67 0,46 0,37 0,55 0,91
U1, м/с 1,48 0,59 0,08 0,50 2,14 7,14 0,41
U2, м/с 2,06 0,67 0,09 0,60 3,00 7,14 0,62
Рмак, МПа 56 57 41,5 27,0 70,5 52 42,0
(AP/At)1, МПа/с 3143 898 50 269 2009 7257 341
(AP/At)2, МПа/с 4400 1029 52 269 2812 7257 481
Примечание. Значения с индексами: 1 - в период от начала загорания воспламенителя; 2 - в период от начала загорания состава.
Время, с
Рисунок 1 - Характер нарастания Р во времени при горении составов ГОМ
в манометрической бомбе
Из данных таблицы 1 и рисунка 1 следует, что для натурных исследований имеются составы, отличающиеся как по скорости горения и, так и по Р и АР/А1 Энергоемкость составов зависит от совокупности параметров: скорости горения и, объема V и температуры Т газообразных продуктов и плотности заряда р. Чем выше эти характеристики, тем больше в единицу времени будет газовыделение. То есть параметром, определяющим, на наш взгляд, качество ГОМ, является объем газообразных продуктов, который генерируется за единицу времени. Чем выше скорость горения состава, тем круче кривая зависимости Р от продолжительности горения (рисунок 1). Например ГОМ-3, хотя и выделяет 1000 л/кг газообразных продуктов, но горит со скоростью 0,09 м/с, имеет низкую температуру, поэтому темп нарастания давления газов этого состава незначителен. ГОМ-7 выделяет 890 л/кг газов, но горит со значительно большей скоростью 0,62 м/с, и поэтому для него наблюдается более крутая зависимость Р от 1, хотя оба состава имеют практически одинаковое Рмак. Чем выше зависимость Р от 1 и значение Рмак, тем более работоспособным является состав.
Испытания ГОМ в железных трубах (рисунок 2) показали, что составы 3, 4 практически не оказывают воздействия на трубу. Воздействие на трубу усиливается по мере увеличения Р и АРМ.
Испытания при разделывании блоков на элементы в условиях карьера показали, что работоспособными оказались составы ГОМ-5; ГОМ-1, ГОМ-6,- ГОМ-2, ГОМ-7. При использовании ГОМ-3, ГОМ-4 разрушения блока не произошло. При этом, как правило, выбивало забойку шпура. Наиболее мягкое воздействие на блок получено при использовании ГОМ-2, ГОМ-7: блоки разваливались на крупные товарные элементы. В процессе работы было разделано на элементы около 200 м камня. Случаев перехода горения в детонацию при испытании патронов ГОМ в шпурах не наблюдалось. Отбойка блоков от массива показала, что здесь эффективными оказались составы с более высокими АР/А! Так, при использовании ГОМ-1 блок отделился на 2-3 см, а при использовании ГОМ-2 отделение не произошло. Анализ показывает, что здесь в большей мере сказалась трещиноватость массива.
Рисунок 2 - Результаты воздействия горения образцов ГОМ на трубы
Таким образом, из приведенных данных следует, что для практического применения в условиях массива необходимы составы, обеспечивающие Р и АР/А! не менее 50 МПа и 3000 МПа/с, соответственно. При отсутствии трещиноватости породы параметры могут снижаться.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кирсанов, О.Н.Опыт применения новых невзрывчатых материалов при добыче блочного камня / О.Н. Кирсанов, В.И. Островский, В.М. Румянцев // Химическая промышленность.- 2005. -Т.86.-№6.- С.278-286.
2 Парамонов, Г.П. Композиция на основе хлората натрия для отбойки камня / Г.П. Парамонов, Ю.И. Виноградов, О.Н. Кирсанов // Физические проблемы разрушения горных пород: сборник трудов третьей международной конференции, 9-14 сентября 2002 г., Абаза (Хакасия) - Новосибирск: Наука, 2003. -С.288.
