CC BY
58
УДК 635.232
В.П. Доманов
ОАО «НЦ ВостНИИ»
Ю.А. Масаев, В.Ю. Масаев, Н.В. Мильбергер
КузГТУ
Исследование запирающего действия гидрозабойки при взрывании шпуровых зарядов взрывчатых веществ
Приведен механизм взаимодействия гидрозабойки с окружающим горным массивом при взрывании шпурового заряда ВВ. Установлена зона максимального распада водяной массы при воздействии на гидрозабойку ударной волны и расширяющихся продуктов взрыва.
Ключевые слова: ГИДРОЗАБОЙКА, ШПУР, ЗАРЯД ВВ, УДАРНАЯ ВОЛНА, ЗАРЯДНАЯ КАМЕРА, МАКСИМАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАБОЙКИ
V.P.Domanov, Yu.A. Masayev, V.Yu. Masayev, N.V. Milberger. Research of water stemming locking effect at explosion of blasthole charges of explosives
Interaction mechanism of water stemming with surrounding rock mass is described at explosion of a blasthole charge. Zone of maximum water mass disintegration is defined when water stemming is compacted by a shock wave and expanding explosion products.
Key words: WATER STEMMING, BLASTHOLE, EXPLOSION CHARGE, CHARGING CHAMBER, MAXIMUM PRESSURE, STEMMING EFFICIENCY
В «Единых правилах безопасности при взрывных работах» (гл. V, п. 57) [1] сказано, что в качестве забойки шпуровых зарядов «должна применяться гидрозабойка в сочетании с запирающей забойкой из глины или смеси глины с песком...». Как показали ранее проведенные исследования в МакНИИ и ВостНИИ, этот вид забойки при ведении взрывных работ в угольных шахтах позволяет не только увеличивать эффективность действия взрыва, определяемую коэффициентом использования шпура, но и повышать безопасность взрывных работ за счет охлаждения водой продуктов детонации, уменьшения запыленности воздуха при взрывных работах. Вместе с тем, несмотря на ряд проведенных ранее исследований [2], изучение механизма разрушения горной массы в зоне шпура, заполненной забойкой, с учетом современного уровня конструкционных материалов позволяет рационально распределять энергию взрыва по всей длине шпура и открывает новые направления по совершенствованию этого вида забойки.
При взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ) в шпуре на гидрозабойку действует ударная волна и давление расширяющихся газообразных продуктов детонации. За счет этого забоечная масса приводится в движение с определенной скоростью. Эффективность забойки характери-
зуется способностью ее задерживать продукты взрыва в шпуре на определенный промежуток времени, необходимый для совершенствования полезной работы по разрушению горного массива.
Из условий безопасного ведения взрывных работ следует, что оптимальной длиной внутренней забойки считается такая, при которой весь забоечный материал будет выброшен из шпура не ранее, чем произойдет разрушение породного массива и выброс продуктов в призабойное пространство, т.е.
t б = t
з. заб разр. ?
где tз.заб.- время задержки забойки в шпуре;
tрaзр - время разрушения породного массива.
Для расчета минимальной длины гидрозабойки, удовлетворяющей этому условию, воспользуемся известным решением проф. К.П. Станюковича, полученным для случая одномерного метания тел продуктами детонации [3]. Закон движения метаемого тела в общем виде описывается формулой:
х = Dt
1 -
2 ( I Л - 1 - — П\ Dt)
(1)
где х - перемещение тела; t - время перемещения; D - скорость детонации заряда ВВ; I - длина заряда ВВ.
Для рассматриваемого случая К.П. Станюкович дает следующее выражение соотношения массы заряда ВВ и метаемого тела:
0,6т
П = Лг, (2)
м
где т - масса заряда ВВ;
М - масса метаемого тела (внутренней забойки).
С целью учета взаимодействия с окружающим массивом сил бокового распора и трения гидрозабойки введем дополнительный коэффициент у , тогда выражение (2) можно записать:
0,6т
П = . (3)
Му
Для определения длины гидрозабойки с учетом действия указанных сил найдем п из выражения (1):
2Dt р -1)
П = ^^-т^ . (4)
( - х)
Подставив полученное значение в выражение (3), получим:
0,6т = 2Dt^ -1)
му " ( - х)) , (5)
откуда
, , 0,6ш(Ы - х)2
М = -—-. (6)
( -1)-
После некоторых преобразований длина гидрозабойки может быть выражена как
0,61 рвв
. (7)
П-Р зав
0,6 „
Обозначив отношение -= К , можно записать:
—
Каб = р . (8)
Р зав
Для определения значения коэффициента К воспользуемся данными экспериментальных исследований, приведенными в таблице [4].
Таблица 1 - Данные экспериментальных исследований для определения длины гидрозабойки
Длина шпура, м Длина заряда, м П Длина забойки, м -
1,6 0,54 2,27 0,95 0,17
1,8 0,72 2,24 1,10 0,21
2,0 0,90 2,66 1,19 0,19
2,2 0,90 2,56 1,10 0,21
2,5 0,90 2,41 1,12 0,22
2,6 1,08 2,00 1,20 0,29
Среднее - 2,4 - 0,21
Среднее значение коэффициента К по экспериментальным данным составляет 1,20.
Таким образом, полученная зависимость (7) показывает, что оптимальная величина забойки пропорциональна длине заряда ВВ и отношению плотностей ВВ и внутренней забойки.
Как уже было сказано ранее, воспринимая давление взрыва, водяная забойка не просто выталкивается из шпура, а, сжимаясь, создает распирающее усилие, действующее на некотором участке на стенки шпура. Основное воздействие ударной волны и продуктов взрыва воспринимается гидрозабойкой в первоначальный момент взрыва. В этот момент водяная забойка на некотором участке, граничащем с зарядом ВВ, передает окружающему массиву максимальное давление, приближающееся по величине к давлению в зарядной камере. Длина этого участка предопределяется сжимаемостью жидкости, ибо при высоких давлениях плотность воды изменяется, хотя вода при нормальных условиях считается практически несжимаемой средой. Степень сжатия забоечной массы можно приближенно определить, пользуясь уравнением состояния для воды и других однородных жидкостей при воздействии на них давлений порядка 20000-25000 кгс/см , рекомендованным проф. Г.М. Ляховым [4]:
Р = Р0 +
Сг
у V
-1
(9)
где Р - конечное давление, действующее на водяную массу, кгс/см2; Ро - начальное давление, кгс/см2; Со =1500 м/с - скорость звука в воде; Уо и V- начальный и конечный объемы воды, см3;
у - экспериментальный коэффициент, определенный из опытов по сжатию воды {у =6).
Определим величину участка сжатия водяной массы для случая взрывания заряда аммонита ПЖВ-20 в шпуре диаметром 44 мм при длине водяной забойки 1 м (давление в зарядной
камере при взрыве ВВ Р = 24500 кгс/см2):
Ус =П %заб = 1520 см3.
Подставляя значения входящих величин в уравнение (9) и решая его относительно V,
после несложных вычислений получим V = 1510 см3, откуда длина водяной забойки после сжатия составит:
/ =
У_ пЯ2
= 99,34 см,
а длина участка сжатия равна А/ = 10 -/ = 0,66 см.
Таким образом, в момент взрыва за счет давления, действующего на водяную забойку, происходит сжатие ее на величину А. При длине водяной забойки 1 м и отсутствии в устье шпура запирающего пыжа, препятствующего свободному движению водяной массы, эта величина составляет 0,66 мм. На этом участке массиву передается максимальное давление. После преодоления инерции забойка начинает двигаться, и передаваемое стенкам шпура давление снижается.
Для определения закономерности спада давления выделим в забоечной массе произвольное сечение, отстающее от граничащего с зарядом ВВ торца забойки на расстояние / (рисунок 1, схема).
N
А
А
1п
Рисунок 1 - Характер распределения нормальных давлений вдоль образующей гидрозабойки
при ее движении в шпуре
Общая начальная длина забойки равна /0, участок А / составляет уменьшение ее за счет сжимаемости воды под действием давления взрыва.
Давление в произвольной точке /} можно определить, воспользовавшись законом Ньютона для той части забойки, которая находится за сечением /¡. В этом случае можно записать равенство:
Р(А)£ = м (/1)
л
(10)
где Р - давление, кгс/см2; £ - сечение забойки, см2; М - масса забойки, кг; V - скорость движения забойки, м/с; t - время движения забойки, с.
Но М(/1) = (/0 - !1)р£ , тогда Р(/х) = (/0 -
(11)
Это уравнение характеризует давление, передаваемое водяной забойкой стенкам шпура при движении ее от заряда ВВ к устью шпура. Нетрудно заметить, что в той части забойки, которая примыкает к заряду ВВ, окружающему массиву передается максимальное давление, равное давлению продуктов детонации в зарядной камере. В сечении противоположного торца забойки давление будет равно нулю (так как сечение ¡¡= /0).
Приближенно характер распределения нормальных давлений вдоль столба водяной забойки может быть представлен, как показано на рисунке 1.
Рассмотренный характер распределения нормальных давлений вдоль образующей водяного столба является общим случаем для гидрозабойки. В зависимости от варианта выполнения гидрозабойки характер распределения нормальных давлений и величина сопротивления, которое она способна оказать выталкивающему действию продуктов взрыва, могут измениться.
Учитывая опыт использования при взрывных работах в мировой практике различных видов гидрозабойки, рассмотрим три вида наиболее применяемых вариантов водяной забойки:
1 Водяная масса занимает полностью сечение шпура.
2 Между водонаполненной ампулой и стенками шпура имеется зазор.
3 Водонаполненная ампула плотно прилегает к стенкам шпура, но внутри ампулы между поверхностью воды и стенкой ампулы имеется воздушный зазор.
При расположении водяной массы в первом случае ее движение начинается сразу же после взрыва заряда ВВ по схеме, рассмотренной ранее. Если вода будет находиться в ампуле, то начало движения забоечной массы будет предопределяться возникающими силами трения и качеством оболочки ампулы. Причем в первоначальный момент времени до разрыва оболочки ампула с жидкостью движется по шпуру подобно снаряду в стволе.
Во втором случае характер происходящих явлений будет несколько иным. Наличие зазора между водонаполненной ампулой и стенками шпура создает своего рода канальный эффект и условия для свободного выхода продуктов взрыва из зарядной полости. При этом за счет увеличения свободного объема давление в зарядной камере резко снижается, и водонаполненная ампула, не получая максимального импульса давления, не оказывает соответствующего ему действия на окружающий массив. Поршневое действие оставшихся продуктов взрыва будет зависеть от
соотношения dамп/ dшп. Чем меньше диаметр ампулы, тем большее количество продуктов взрыва может пройти через свободный зазор. Эта часть продуктов взрыва является наиболее опасной в отношении воспламенения метановоздушной смеси в призабойном пространстве. В такой ситуации некоторые ампулы могут быть выброшенными из шпура неразрушенными или же, находясь в шпуре, не оказывать эффективного сопротивления расширяющимся продуктам взрыва. То же можно отнести и для случая воздушного зазора в самой гидроампуле.
Наилучшим соотношением следует считать dамп/ dшп=1, когда величина зазора, а, следовательно, неизбежных в этом случае потерь энергии продуктов взрыва, сводится к минимальному значению. На практике для предотвращения преждевременного выхода продуктов взрыва и выброса ампул из шпура применяется дополнительная запирающая забойка из глины, помещаемая после водонаполненных ампул. Такая забойка, оказывая сопротивление расширяющимся продуктам взрыва в начальный момент, дает возможность после нарушения целостности ампулы занять жидкости весь объем шпуровой полости и затем общей массой двигаться к устью шпура.
Как можно заметить, из рассмотренных вариантов гидрозабойки наиболее рациональным является конструкция в виде водонаполненных ампул, занимающих всю шпуровую полость. В то же время на основе рассмотренного механизма запирающего действия гидрозабойки представляется перспективной (в зависимости от длины забойки и крепости разрушаемой породы) конструкция гидроампул с осевым воздушным каналом или серией таких каналов. Данный методический подход может быть использован для расчета параметров других материалов забойки, отличающихся способностью к деформации, вплоть до использования пеногеля или пены с различной степенью кратности.
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:
1 При воздействии ударной волны и продуктов детонации на массу гидрозабойки стенкам шпура (с учетом деформации водяной массы) передаются нормальные давления распора. При этом в непосредственной близости от заряда ВВ (на расстоянии АI) за счет деформации материала забойки передаваемые нормальные давления по величине приближаются к давлению продуктов детонации в зарядной полости, а затем убывают до минимальных значений (при смещении забойки к устью шпура). При использовании гидрозабойки с осевым воздушным каналом, изменением диаметра этого канала или использованием воздушных включений (например, пеногеля) можно варьировать временем нахождения забойки в полости шпура.
2 Наиболее неблагоприятным следует считать вариант в виде ампул гидрозабойки, создающих радиальный зазор в шпуре, по которому продукты взрыва могут свободно выходить в при-забойное пространство. Наличие же газового зазора внутри ампулы, когда стенки ее плотно при-
жаты к стенкам шпура, создает условия более длительной задержки продуктов взрыва в шпуре за счет предварительного сжатия газового компонента.
3 Режим взрыва шпурового заряда ВВ можно считать безопасным и эффективным при условии равенства времени задержки забойки в шпуре и времени начала разрушения массива, когда продукты детонации по образующимся трещинам получают доступ в призабойное пространство.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Единые правила безопасности при взрывных работах (ПБ 13-407-03). -М.: Промышленная безопасность, 2001. -227 с.
2 Стикачев, В.И. Применение различных видов гидрозабойки / В.И. Стикачев, Ф.М. Галад-жий // Вопросы безопасности в угольных шахтах. - М.: Недра, 1968. -264 с.
3 Баум, Ф.А. Физика взрыва / Ф.А. Баум, К.П. Станюкович, Б.И.Шехтер. - М.: Физматгиз, 1959. - 800 с.
4 Ляхов, Г.И. Основы динамики взрыва в грунтах и жидких средах. - М.: Недра, 1964. -173 с.
