CC BY
83
I. ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY
Ю.В. Варнаков
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Н.П. Куприянов
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Д.Н. Батраков
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.А. Плешаков
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.Ю. Варнаков
студент ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»
УДК 622.235:213.2
ПАТРОН ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Рассматриваются способы повышения антигризутности и водоустойчивости шпуровых зарядов, сформированных из патронированных в жесткую полиэтиленовую оболочку порошкообразных и эмульсионных взрывчатых веществ, состыкованных между собой в монозаряд сборный. Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОРОШКООБРАЗНЫЕ, ЭМУЛЬСИОННЫЕ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ПАТРОНЫ, ОБОЛОЧКА, ГИЛЬЗА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬ, ВЫГОРАНИЕ, ДЕТОНАЦИЯ
Ведение взрывных работ в подземных выработках рудников и шахт шпуровым способом с применением патронированных взрывчатых веществ (ВВ) II—VI классов в бумажных оболочках патронов при существующей конструкции шпурового заряда сопровождается отказами и выгораниями ВВ. Выгорание шпуровых зарядов в шахтах, опасных по газу или пыли, приводит к вспышкам (32,6 %) и взрывам (18,5 %) метановоздушной и пылевоздушной смесей [1]. Необходимо отметить, что выгорание свойственно всем порошкообразным ВВ, но наиболее склонны к нему предохранительные, запатронированные в бумажную гильзу.
На выгорание ВВ и затухание детонации влияют многие факторы, которые при существующей конструкции патрона, шпурового заряда и технологии его формирования пока невозможно исключить. Заряжание плохо очищенных шпуров патронами
ВВ в бумажной оболочке при их последовательной досылке к донной части шпура приводит к образованию пересыпок из угольной пыли или породной буровой мелочи, в результате чего уменьшается передача детонации на расстояние между двумя смежными патронами. При достижении критических значений расстояний возможен переход процесса детонации ВВ в процесс скоростного, а в последующем и стационарного горения. Кроме того, бумажные оболочки патронов, несмотря на покрытие петролатумным влагоизолирующим составом, не обеспечивают необходимого уровня водоустойчивости применяемых ВВ в обводненных забоях, что в определенных условиях также приводит к отказам и/или выгораниям ВВ, вспышкам и взрывам метановоздушной и пылевоздушной смесей в угольных и сланцевых шахтах. В обводненных забоях вероятность отказов и выгорания зарядов возрастает пропорционально
времени нахождения ВВ в этих условиях. В процессе расследования аварий и случаев отказов срабатывания и выгораний шпуровых зарядов была замечена большая размокаемость бумажной оболочки патронов и значительное увлажнение несдетонировавших остатков ВВ в шпурах. Кроме того, наблюдениями, проведенными на ряде шахт, установлено, что в обводненных забоях с высоким пластовым давлением встречаются случаи вытеснения из шпуров забоечного материала почти при каждом проходческом цикле. Причем забоечный материал может увлекать за собой патрон-боевик за проводники электродетонатора, а промежуток между патроном-боевиком и остальной частью заряда может достигать более 30 см [2]. Критерии оценки водоустойчивости патронированных взрывчатых веществ через сохранение их способности к взрывчатому превращению, в частности, к передаче детонации на расстояние между двумя патронами после их выдержки в воде, определены требованиями нормативной документации [3], согласно которой установленные вертикально в специальные стаканы патроны ВВ выдерживаются в воде при температуре (20±2) оС на глубине 1 м в течение 1 ч для патронированных аммонитов и 0,5 ч для нитроэфиросодержащих ВВ. При этом испытуемое взрывчатое вещество должно сохранить детонационную способность, а передача детонации на расстояние между двумя патронами должна быть не менее указанной в нормативной документации, согласно которой изготовлено испытуемое ВВ.
В зависимости от сечения забоя в проходке ^ = 7- 10 м2) процесс его заряжания занимает от 30 до 40 мин. При проходке вертикальных стволов на заряжание затрачивается, как правило, еще больше времени. Иногда по различным причинам происходит задержка взрывания уже заряженных забоев. В этом случае заряды могут находиться в обводненных условиях и более 1 ч, предусмотренного требованиями к этим ВВ. Водоприток в шпуры нередко сочетается с высоким давлением газа (в шахтах, опасных по газу или пыли), нарастающим с момента герметизации шпуров забоечным материалом. В зависимости от газоносности пласта величина давления в шпурах колеблется в довольно широких пределах. Зачастую давление в обводненных шпурах намного превышает гидростатическое давление, создаваемое при испытании ВВ по методике [3].
В настоящее время характер влияния степени увлажнения порошкообразных ВВ на режим их
взрывчатого разложения изучен достаточно полно. Так, при увлажнении патронированного аммонита ПЖВ-20 до 1 % передача детонации на расстояние между испытуемыми патронами уменьшается примерно вдвое. При выдержке в воде патронов аммонита ПЖВ-20 и других ВВ, близких по компонентному составу, при избыточном давлении 0,22-0,25 МПа наблюдалась полная потеря детонационной способности. Избыток влаги отрицательно сказывается и на детонационной способности ВВ, содержащих нитроэфиры. Однако увлажненный угленит марки Э-6 по сравнению с аммонитом ПЖВ-20 детонирует более устойчиво, но и он начинает давать отказы при давлении, превышающем значение 0,2 МПа, и времени нахождения в воде более 0,5 ч [2]. Изложенные выше результаты исследований подтверждены сведениями, приведенными в нормативной документации на взрывчатые вещества [4, 5, 6]. Так, например, предохранительный аммонит ПЖВ-20 имеет передачу детонации на расстояние между двумя сухими патронами не менее 5 см, а после выдержки патронов в воде на глубине 1 м в течение 1 ч - не менее 2 см. Аммонит № 6ЖВ при диаметре патрона 31-32 мм имеет передачу детонации между сухими патронами не менее 5 см, а после выдержки патронов такого же диаметра в воде - только не менее 3 см. Сухие патроны аммонита № 6ЖВ диаметром 36-37 мм имеют передачу детонации не менее 7 см, а после выдержки в воде - не менее 4 см. Аналогичным образом при испытаниях на передачу детонации ведут себя патроны угленита марки Э-6, имеющие передачу детонации на расстояние в сухом виде не менее 5 см, после выдержки в воде в течение 0,5 ч - не менее 3 см. Как видно из приведенных данных, передача детонации между патронами, выдержанными в воде, по сравнению с сухими уменьшается в среднем вдвое.
Повысить безопасность при ведении взрывных работ шпуровым методом при наличии перечисленных негативных факторов можно за счет использования патронов, соединенных между собой в виде монозаряда, предотвращающего появление воздушных зазоров и пересыпок из шпуровой мелочи между смежными патронами. Задача повышения водоустойчивости патронированных ВВ для шпуровых зарядов решалась и решается в настоящее время различными способами, но наиболее удачно, с точки зрения авторов, была решена в конструкции высокопредохранительного патрона VI класса предохранительности П12ЦБ2-2М [7, 8]. В данном случае также неводоустойчи-
вое взрывчатое вещество угленит 12ЦБ располагалось не в бумажной влагоизолированной гильзе патрона, а в герметичной жесткой полиэтиленовой оболочке, оснащенной стыковочным узлом, позволяющим надежно соединить патроны между собой и использовать их при взрывных работах в виде сборных монозарядов, досылаемых с помощью за-бойника до дна шпурового канала без расстыковки патронов и образования пересыпок из буровой мелочи между ними. Удачная конструкция стыковочного узла и положительные результаты испытаний высокопредохранительных патронов П12ЦБ-2М послужили предпосылкой для проведения испытаний промышленных ВВ II, III, IV, V классов, в том числе аммонитов №6ЖВ, АП-5ЖВ, ПЖВ-20, а также эмульсионных вязкотекучих ВВ различной консистенции, чувствительных к взрывному импульсу первичных средств инициирования, с критическим диаметром детонации 18-22 мм, размещенных в жесткой полиэтиленовой оболочкой. При этом монозаряды состояли из трех состыкованных подряд патронов суммарной массой от 0,6 до 0,9 кг. Испытания проведены с целью определения инициирующей способности и полноты детонации монозарядов различных ВВ. Характеристики патронов в жесткой полиэтиленовой оболочке представлены в таблице 1. Результаты испытаний носят положительный характер. Остатков полиэтиленовых оболочек патронов и самих ВВ не обнаружено. С целью экономичности изготовления оболочек, их жесткости, а также для обеспечения возможности обратного инициирования шпуровых зарядов ВВ II класса была разработана новая конструкция патрона [9], где использовано надежное соединение двух и более патронов в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью ребер и колец жесткости, а также существует возможность применения прямого и обратного инициирования за счет наличия дополнительного посадочного гнезда в донной ча-
сти обечайки, аналогичного посадочному гнезду в крышке патрона. Конструкция патрона приведена на рисунке 1.
Разработанный патрон для промышленных взрывчатых веществ II класса, в том числе эмульсионных различной консистенции, может использоваться для ведения взрывных работ на земной поверхности и в забоях подземных выработок рудников и шахт, не опасных по газу или пыли, способом шпуровых зарядов - одиночными патронами или в виде монозарядов, состыкованных между собой двух и более патронов при прямом или обратном инициировании. Одиночные патроны или монозаряд могут использоваться также в качестве промежуточного детонатора для инициирования скважинных зарядов взрывчатых веществ, не чувствительных к инициирующему импульсу первичных средств возбуждения процесса детонации. Литая оболочка патрона изготовлена из полиэтилена высокого или низкого давления или их смеси в любых соотношениях и состоит из цилиндрической обечайки 1, укрепленной по образующей продольными ребрами жесткости 2 и кольцами жесткости 3. Ребра жесткости расположены равномерно под углом не менее 150 друг к другу, а кольца жесткости расположены равномерно по всей длине обечайки с расстоянием между смежными кольцами, равным 10,0 - 30,0 мм. Цилиндрическая обечайка снабжена элементами стыковочных узлов, расположенными соответственно во входной части обечайки (узел А), предназначенной для заполнения взрывчатым веществом, и в донной («глухой») части обечайки (узел В).
Донная часть снабжена коаксиально расположенным посадочным гнездом 4 диаметром 8,5-9,0 мм и соответствующим диаметру разрушаемых взрывных частей первичных средств инициирования (капсюлей-детонаторов, электродетонаторов, неэлектрических систем инициирования) при осу-
Таблица 1 - Характеристики образцов патронов ВВ, представленных на испытания
Взрывчатое вещество Класс ВВ Диаметр патрона, мм Масса патрона, г Плотность, г/см3
Аммонит № 6ЖВ II 31 -32 200 ±10 1,05-1,10
То же II 36-37 300 ±15 1,05-1,10
Эмуласт II II 31 -32 200 ± 10 1,10-1,20
То же II 36-37 300 ± 15 1,10-1,20
Аммонит АП-5ЖВ III 36-37 300 ± 15 1,00-1,15
Аммонит ПЖВ-20 IV 36-37 300 ±15 1,05-1,20
Угленит Э-6 V 36-37 300 ±15 1,00-1,25
ПС
Узел А
2
II 1Г=
Узел В
Узел А
Узел В
1 - цилиндрическая обечайка оболочки патрона; 2 - ребра жесткости; 3 - кольца жесткости; 4 - посадочное гнездо под первичные средства инициирования в донной части патрона; 5 - крышка; 6 - посадочное гнездо под первичные средства инициирования в крышке патрона; 7- гофры
Рисунок 1 - Конструкция патрона для промышленных взрывчатых веществ II класса
ществлении обратного инициирования шпуровых зарядов. Высота посадочного гнезда принята 5,0 -10,0 мм, а толщина стенок 0,5 -1,0 мм. Донное посадочное гнездо является одновременно и кумулятивной выемкой, предназначенной для облегчения передачи детонационной волны в пристыкованный аналогичный патрон в сформированном монозаряде или непосредственно взрывчатому веществу скважинного заряда при использовании патрона в качестве промежуточного детонатора. Входная часть обечайки патрона для предотвращения высыпания (вытекания) взрывчатого вещества
снабжена крышкой 5, имеющей коаксиально расположенное посадочное гнездо 6 для ввода первичных средств инициирования при осуществлении прямого инициирования шпуровых зарядов. Для обеспечения центровки вводимых первичных средств инициирования данное посадочное гнездо выполнено методом штамповки и имеет длину от 5,0 до 10,0 мм. Крышку 5 изготавливают толщиной до 5 мм для обеспечения жесткости и предотвращения несанкционированного извлечения. Толщину стенок донного посадочного гнезда, как и гнезда 4, принимают равной 0,5 -1,0 мм.
Донная часть цилиндрической обечайки снабжена кольцевыми гофрами 7, выполненными в полном соответствии с конфигурацией и линейными размерами гофр, расположенных во входной части обечайки. Цилиндрическая входная часть обечайки по наружному диаметру также снабжена ребрами 2 и кольцами 3 жесткости с характеристиками цилиндрической обечайки патрона. Цилиндрические элементы гофр 7 донной части выполнены соответственно с наружным диаметром меньшего размера на толщину стенки обечайки. Номинальный диаметр патрона в жесткой полиэтиленовой оболочке должен соответствовать размерам 31,0-32,0; 37,0-38,0 и 45,0-46,0 мм (с учетом
высоты ребра жесткости) при высоте ребра жесткости 1,0-1,5 мм, толщине стенки гильзы патронов 0,5-2,0 мм и массе взрывного вещества в патроне от 200 до 650 г в зависимости от диаметра обечайки патрона.
Проблемы повышения водоустойчивости и анти-гризутности патронированных порошкообразных и эмульсионных взрывчатых веществ II - VI классов успешно решены за счет применения жестких герметичных полиэтиленовых оболочек, оснащенных стыковочными узлами, позволяющими осуществить формирование и досылку в шпур монозарядов без образования пересыпок и воздушных промежутков между патронами ВВ.
CARTRIDGE FOR INDUSTRIAL EXPLOSIVES Yu.V. Varnakov, N.P. Kuprianov, D.N. Batrakov, K.A. Pleshakov, K.Yu. Varnakov Methods of anti-grisonity and waterproof increase of borehole charges formed of packaged in rigid polyethylene shell powder or emulsion explosives which are interconnected into a compound monocharge.
Key words: SAFETY, EFFICIENCY, POWDER EMULSION EXPLOSIONS, CARTRIDGES, SHELL, CASE, BLAST WORKS, WATERPROOF, BURNUP, DETONATION
Варнаков Юрий Владимирович e-mail: [email protected] Куприянов Николай Петрович e-mail: [email protected] Батраков Дмитрий Николаевич e-mail: [email protected] Плешаков Константин Анатольевич e-mail: [email protected] Варнаков Кирилл Юрьевич e-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Стикачев, В.И. Создание предохранительной среды при взрывных работах / В.И. Стикачев. - М.: Недра, 1972. - 113 с.
2 Гельфанд, Ф.М. Предупреждение аварий при взрывных работах в угольных шахтах / Ф.М. Гельфанд. - М.: Недра, 1972. - 208 с.
3 ГОСТ 14839.15-69. Вещества взрывчатые промышленные. Метод определения способности к передаче детонации на расстояние.
4 ГОСТ 21982-76. Вещества взрывчатые промышленные. Аммониты водоустойчивые предохранительные. Технические условия.
5 ГОСТ 21984-76. Вещества взрывчатые промышленные. Аммонит №6ЖВ и аммонал водоустойчивые. Технические условия.
6 ГОСТ Р 52036-2003. Вещества взрывчатые промышленные. Угленит марки Э-6. Технические условия.
7 Пат. № 2080545 Российская Федерация, МПК F42B3/02, F42D1/02. Патрон для промышленных ВВ [Текст] / Гавриленко В.Т., Куприянов Н.П., Жаботинский Х.И., Филатов В.М., Набиулин А.С., Леонов М.С.; заявители и патентообладатели Гавриленко В.Т., Куприянов Н.П., Жаботинский Х.И., Филатов В.М., Набиулин А.С., Леонов М.С. - № 94019598/02; заявл. 23.05.94; опубл. 27.05.97.
8 ТУ 12.00173769.024-93. Патроны высокопредохранительные в полиэтиленовой оболочке П12ЦБ-2М. Технические условия.
9 Пат. № 112388 Российская Федерация, МПК F42B3/02. Патрон для промышленных взрывчатых веществ [Текст] / Варнаков Ю.В., Батраков Д.Н., Варнаков К.Ю., Куприянов Н.П.; заявитель и патентообладатель Варнаков Ю.В. - №2011136076/11; заявл. 30.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1.
