CC BY
32
В.П. Доманов
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
Ю.В. Варнаков
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Д.Н. Батраков
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.Ю. Варнаков
студент ГОУ ВПО «КузГТУ»
УДК 622.235:213.2.3
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ И БЕЗОПАСНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕСОДЕРЖАЩИХ ГРАНУЛИТОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ РУЧНОГО И МЕХАНИЗИРОВАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ШПУРОВЫХ И СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ
Рассматриваются способы повышения эффективности действия взрыва и безопасности применения бестротиловых взрывчатых веществ на основе гранулированной аммиачной селитры, содержащих в своем составе в качестве компонента угольный порошок, предназначенных для ручного и механизированного формирования шпуровых и скважинных зарядов на земной поверхности и в подземных условиях рудников и шахт, не опасных по газу или пыли.
Ключевые слова: ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ, ПРОМЫШЛЕННАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ГРАНУЛИРОВАННАЯ АММИАЧНАЯ СЕЛИТРА, УГОЛЬНЫЙ ПОРОШОК, ДИСПЕРСНОСТЬ, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ, ГРАНУЛИТ, ЭМУЛЬСИОННАЯ МАТРИЦА
Ш
Способ дробления горных пород взрывом является в России основной технологической операцией при добыче полезных ископаемых как на земной поверхности, так и в подземных выработках шахт.
Процесс дробления горных пород зарядами взрывчатых веществ (ВВ) представляет собой совокупность очень сложных физических процессов, основными из которых являются: детонация зарядов ВВ и их взаимодействие между собой, передача
энергии от продуктов детонации в горный массив, распределение части энергии заряда в горном массиве, превращение распределенной энергии в работу дробления, а также взаимодействие кусков раздробленной породы между собой, их
перемещение в пространстве, формирование развала отбитой горной массы и др. [1, 2, 3]. В значительной степени результаты взрыва определяются свойствами применяемого ВВ и использованием рациональных параметров его размещения в отбиваемом горном массиве. На конечный результат взрыва также оказывают влияние и многочисленные свойства горных пород.
При изучении процессов взрывного дробления наиболее часто выделяют параметры волн напряжений, возникающих в горном массиве, и движение среды под действием расширяющихся продуктов детонации. При этом важной характеристикой процесса дробления породы взрывом является форма взрывного импульса.
На форму и длительность взрывного импульса оказывают сложное влияние все свойства применяемого ВВ, но наибольшее - скорость детонации и ширина зоны химической реакции.
С уменьшением скорости детонации уменьшается пиковое давление головной части взрывного импульса и увеличивается его длительность. С увеличением ширины зоны химической реакции уменьшается пиковое давление головной части взрывного импульса, а также увеличивается его продолжительность. При количественном равенстве двух импульсов взрыва более полное использование энергии заряда на дробление породы наблюдается при взрывном импульсе с низким пиковым давлением и большей длительностью [4, 5, 6].
На основе многочисленных исследований была сформулирована идея о возможности эффективного использования угольного порошка в качестве компонента смесевых гранулированных ВВ, обладающего высокой энергией и увеличивающего
зону химической реакции. При этом импульс взрыва имеет большую длительность и способствует более полному использованию энергии взрывчатого превращения на дробление горных пород. Угольная добавка способна выполнять функцию стабилизатора взрывчатого состава по высоте колонки заряда ВВ во времени при наличии жидких компонентов.
При подборе рецептуры ВВ с угольными добавками важно правильно оценить пригодность разных сортов углей, их допустимый уровень зольности, правильно подобрать количественный показатель добавки и ее рациональный гранулометрический состав.
Для проведения экспериментальных исследований в ОАО «НЦ ВостНИИ» был разработан испытательный стенд, согласован и утвержден в установленном порядке метод «Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения водоустойчивости ВВ с пониженной чувствительностью к детонации по сохранению эффективности действия взрыва» [7], позволяющий получить количественную оценку влияния угольных порошков на эффективность действия взрывчатых веществ в канальной мортире, обеспечивающей полноту детонации испытуемых зарядов ВВ с критическим диаметром детонации, большим 50 мм, при использовании
1 - мортира; 2 - заряд испытуемого ВВ; 3 - промежуточный детонатор; 4 - электродетонатор; 5 - тяги; 6 - наковальня; 7 - свинцовый цилиндр; 8 - стальной упор
Рисунок 1 - Стенд для определения эффективности действия ВВ для скважинных зарядов после выдержки в воде
мощного промежуточного детонатора.
Стенд состоит из стандартной канальной мортиры 1, стальной наковальни 6 в виде усеченного конуса массой (26,0 ± 0,2) кг, укрепленной двумя стальными тягами с размерами, указанными на рисунке 1, обеспечивающими соосное расположение наковальни и канала мортиры, стандартного свинцового цилиндра 7, располагающегося по центру между задним торцом наковальни и жестким упором 8 [8].
При испытаниях ВВ с пониженной чувствительностью к детонации в промежуточном детонаторе из аммонита № 6ЖВ [9] с помощью наколки из цветного металла делают отверстие, в которое помещают электродетонатор (капсюль-детонатор). После этого в канале мортиры располагают сначала испытуемый заряд, затем промежуточный детонатор и забойником досылают до дна канала. При этом электродетонатор располагается со стороны устья канала мортиры. В паз наковальни, расположенный в ее конусной части, устанавливают
свинцовый цилиндр. Заряженную мортиру подкатывают к наковальне на расстояние (200 ± 5) мм при помощи специального шаблона. После взрывания вынимают обжатый свинцовый цилиндр и измеряют величину его деформации. Эффективность действия взрыва (ЭДВ) оценивают как среднее арифметическое деформации свинцовых цилиндров в параллельных определениях.
Величину деформации свинцового цилиндра определяют по формуле:
ДН=^ - к2,
(1)
где Н1 и к2 - соответственно высота свинцового цилиндра до и после обжатия, мм.
При определении ЭДВ взрывчатого вещества с пониженной чувствительностью к детонации от полученного среднего значения величины обжатия свинцового цилиндра вычитают величину 6,1 мм (фон, создаваемый промежуточным детонатором).
Для постановки экспериментов ис-
пользованы угли, добываемые разрезами УК «Южный Кузбасс», марок ГР, КСР, Т, ДР с характеристиками, представленными в таблице 1.
Для оценки влияния дисперсного состава на ЭДВ гранулитов были подготовлены пробы угольных порошков с диаметром частиц d, мм: d > 0,9; 0,45 < d < 0,9; 0,37 < d < 0,45; d < 0,37.
Исследования выполнены на модельных составах, изготовленных по рецептуре гранулита УП-1Б [10] с минимальной массовой долей жидкого нефтепродукта в составе и максимальной мас-совой долей угольного порошка, позволяющей наиболее точно оценить влияние угольной добавки на эффективность действия взрыва испытуемого ВВ.
Массовая доля компонентов в составе гранулита УП-1Б представлена в таблице 2.
Результаты взрываний сухих зарядов гранулита УП-1Б в канальной мортире стенда опре-деления эффективности действия взрыва представлены на рисунке 2.
Таблица 1 - Характеристики углей, использованных для изготовления модельных взрывчатых составов
Наименование разреза Марка угля Влага, % Зола, % Выход летучих веществ, % Теплота сгорания, ккал/кг Содержание витринита, %, ЮК, %
Ольжерасский ГР 4,18 14,3 27,5 5970 -
Красногорский Т 4,12 17,0 11,8 6200 26/73
Междуреченский КСР 5,42 17,8 16,8 6310 -
Талдинский ДР 5,42 16,0 37,0 7400 -
Таблица 2 - Массовая доля компонентов в составе гранулита УП-1Б
Наименование компонента Норма, %
Селитра аммиачная гранулированная 93,0 ± 1,0
Жидкий нефтепродукт 1,5 ±0,5
Угольный порошок 5,5 ± 0,5
Применение угольного порошка в качестве компонента смесевых гранулированных взрыв-чатых веществ не ограничивается углесо-держащими гранулитами УП-1 марок А и Б, а также гра-нулитом марки Д-5 [11], разработанными ОАО «НЦ ВостНИИ» в начале 90-х годов XX века, кото-рые широко изготавливаются и применяются в горнодобывающей промышленности России и в настоящее время. Угольный порошок использован в качестве компонента также и в современной разработке ОАО «НЦ ВостНИИ» -гранулите ЭМ-6 [12, 13].
Гранулит ЭМ-6 является промышленным ВВ II класса (по классификации «Единых правил безопасности при взрывных работах» (ПБ 13-407-01) [14], предназначенным для ручного и меха-низированного заряжания сухих, осушенных и ма-лообводненных шпуров и скважин диаметром не менее 41 мм при ведении взрывных работ на земной поверхности, а также в рудниках и шахтах, не опасных по газу или пыли, при крепости взрываемых руд и пород (кроме сульфидсодер-жащих) до 17 по шкале проф. М.М. Протодьяконова в диапазоне температур от -50 до +500 С.
Согласно приведенной классификации гранулит ЭМ-6 при обращении, транспортировании и хранении
относится к опасным грузам класса I, подкласса 1.5, группы совместимости <^».
В отличие от гранулитов УП-1 и Д-5 гранулит ЭМ-6 скомпонован без использования в со-ставе веществ, обладающих диэлектрическими свойствами, в качестве связующего компонента мелкодисперсных энергетических добавок в котором вместо жидкого компонента использована обратная водная эмульсия второго рода, изготавливаемая в соответствии с требованиями [15,16]. Горючие мелкодисперсные энергетические добавки в составе грану-лита ЭМ-6 (угольный порошок и тонкодисперсная алюминиевая пудра) находятся в связанном состоянии, которое обес-печивается перекристаллизовавшимися из эмульсионной матрицы аммиачной селитрой и карба-мидом. При этом в межкристаллическом пространстве находятся не только порошкообразные ма-териалы, но и индустриальное масло с эмульгатором. Массовая доля компонентов в составе гранулита ЭМ-6 представлена в таблице 3.
Гомогенизация состава гранулита ЭМ-6, выполненная с помощью эмульсионной матрицы, и введение мелкодисперсных высокоэнерге-тичных горючих добавок, а также стехиометрическое соотношение компонентов в составе ВВ обеспе-
¿Н мм
1
—
-_ 2
(, 1
1 1 I
О 0,25 0,5 0:75 а мм
Марки углей: 1 - КСР; 2 - ДР; 3 - Т; 4 - ГР
Рисунок 2 - Зависимость ЭДВ сухих зарядов гранулита УП-1Б от дисперсности угольного порошка, изготовленного из исследуемых марок углей
чивает наиболее полное выделение энергии взрывчатого превращения в процессе детонации сформированных зарядов.
Определенный интерес представляет оценка влияния обводненности шпуров и скважин на эффективность действия взрыва углесодержащих гранулитов в сравнении со штатными взрывча-тыми веществами. Исследования выполнены на зарядах граммонита 79/21, граммонита 30/70, гра-нулита АС-8, гранулита УП-1Б, гранулита ЭМ-6 и гранулотола - наиболее часто применяемых при ведении взрывных
Таблица 3 - Массовая доля компонентов в составе гранулита ЭМ-6
Наименование показателя Норма по техническим условиям
Массовая доля компонентов в составе, %:
селитра аммиачная \ карбамид / суммарно 91,0 ±2,0
масло индустриальное 1 эмульгатор * пудра алюминиевая уголь пылевидный суммарно 0,5 ±0,15 2,0 ± 0,5 5,0 ± 0,5
Рисунок 3 - Зависимость ЭДВ промышленных ВВ от содержания
воды в их составе
работ на горнодобывающих предприятиях.
Результаты исследований представлены на рисунке 3.
На основании результатов выполненных испытаний можно сделать следующие выводы:
1. Наиболее целесообразным является изготовление углесодержащих гранулитов марок УП-1, Д-5, ЭМ-6 на коксующихся углях марки КСР.
2. С уменьшением дисперсности угольного порошка, применяемого для изготовления угле-содержащих гранулитов, возрастает их эффективность действия взрыва. Оптимальной фракцией является фракция с размером частиц угольного порошка 0,37 < d < 0,90 мм. Наличие крупной фракции угля в составе углесодержащих гранули-тов примерно до 10 % не оказывает существенного влияния на их ЭДВ.
3. Эффективность действия взрыва углесодержащих гранулитов, изготовленных из уголь-ного порошка с размером частиц d < 0,37 мм, выше, чем у гранулитов, изготовленных из угольного порошка других фракций. Однако при механизированном способе заряжания скважин гранулитами марок УП-1 и Д-5, которые изготовлены из угля фракции d < 0,37 мм, возможно пыление и рас-слоение компонентов в составе скважинной колонки заряда ВВ, что неизбежно приведет к сниже-нию ЭДВ. Гранулит ЭМ-6 такого недостатка не имеет, что обусловлено перекристаллизацией ком-понентов из разрушенной эмульсионной матрицы и связыванием порошкообразных компонентов.
4. Высокая ЭДВ гранулита ЭМ-6 по сравнению с другими углесодержа-щими ВВ обусловле-на наличием в составе порошкообразного алюминия, а также гомогенизацией продукта, проводи-мой разрушением эмульсионной матрицы.
5. Достаточно высокая работоспособность углесодержащих гранулитов в обводненных ус-ловиях до 20 % объясняется наличием гидрофобных свойств жидких нефтепродуктов. Резкое сни-жение ЭДВ углесодержащих гранулитов при обводненности 30 % и выше вызвано отсутствием в составе ВВ достаточно мощного гидрофобного сенсибилизатора.
6. Добавка воды в составы углесо-держащих гранулитов до 5 % обеспечивает «прирост» их ЭДВ за счет
увеличения условной плотности заряжания ВВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Казаков, Н.Н. Взрывная отбойка руд скважинными зарядами/ Н.Н. Казаков. - М.: Недра, 1975. -190 с.
2. Казаков, Н.Н. Анализ методов управления процессом разрушения горных пород взрывом / Н.Н. Казаков, С.Д. Викторов, В.М. Закалинский // Горный журнал. - 1995. - № 7. -С. 46-47.
3. Казаков, Н.Н. Связь энергии разрушения с количественными характеристиками дробле-ния горной породы / Н.Н. Казаков // Взрывное дело. - Вып. № 96/49. - М., 1999. -С. 29-32.
4. Казаков, Н.Н. Зависимость формы и длительности импульса взрыва от различных факто-ров / Н.Н. Казаков // Взрывное дело. -Вып. № 74/31. - М., 1974. - С. 105-112.
5. Казаков, Н.Н. Уравнение формы волны при взрыве / Н.Н. Казаков, С.В. Копылов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - №10. - М.: МГГУ. - С. 39 - 40.
6. Казаков, Н.Н. Влияние импульса взрыва на эффективность использования энергии ВВ на дробление руды / Н.Н. Казаков, Б.А. Симкин, П.М. Гарбер // Теоретические основы разработки во-досодержащих ВВ и опыт механизированного применения их в народном хозяйстве - М.: СФТГП ИФЗ АН СССР, 1974. - С. 27 - 28.
7. Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения водоустойчивости ВВ с пони-женной чувствительностью к детонации по сохранению эффективности действия взрыва. - Кемерово: ВостНИИ. - 1988. - 16 с.
8. Пат. 79941 на ПМ Российская Федерация, МПК Е21С 37/00. Стенд для определения ко-эффициента пересчета основных показателей взрыва заряда ВВ после нахождения его в воде / Варнаков Ю.В., Доманов В.П.; заявитель и патентообладатель Варнаков Ю.В. - №2008133173/22; заявл.12.08.2008; опубл. 20.01.2009, Бюл. №2.
9. ГОСТ 21984-76. Вещества взрывчатые промышленные. Аммонит № 6ЖВ и аммонал во-доустойчивые. Технические условия.
10. ТУ 7276-064-00173769-03. Вещества взрывчатые промышленные. Гранулиты УП. Тех-нические условия.
11. ТУ 7276-064-00173769-02. Вещества взрывчатые промышленные. Гранулит Д-5. Техни-ческие условия.
12. ТУ 7276-067-00173769-2005. Вещества взрывчатые промышленные. Гранулит ЭМ-6. Технические условия.
13. Пат. 2303023 Российская Федерация, МПК С06В 31/28, С60В 45/34. Состав гранулиро-ванного взрывчатого вещества и способ его приготовления / Панчишин В.Я., Варнаков Ю.В.; зая-вители и патентообладатели Панчишин В.Я., Варнаков Ю.В. - №20051022420/02; заявл.02.02.2005; опубл.20.07.2007, Бюл. №20.
14. ПБ 13-407-01. Единые правила безопасности при взрывных работах.
15 ТУ 7276-014-16359200-2004. Вещества взрывчатые промышленные. Эмуласт АС-30ФП. Технические условия. 16. Пат. 46810 на ПМ Российская Федерация, МПК Е21 С 37/00. Патрон для эмульсионных взрывчатых веществ / Агапитова Е.М., Варнаков Ю.В., Образцов С.А., Образцова Е.Ф., Панчишин В.Я.; заявитель и патентообладатель ОАО «Калиновский химический завод». - №2005102219/22; заявл. 01.02.2005; опубл.27.07.2005, Бюл. №21.
COAL CONTAINING GRANULITES AIMED FOR MANUAL AND MECHANIZED FORMATION OF BORE-HOLE CHARGES ACTION EFFICIENCY AND USAGE SAFETY INCREASE V.P. Domanov, Yu.V. Varnakov, D.N. Batrakov, K.Yu. Varnakov Measures to increase explosion action efficiency and safe usage of trotyl-free explosives which are based on granular ammonium nitrate containing in it's composition coal powder used for manual and mechanized formation of bore-hole charges on the surface and in underground conditions of mines not dangerous for gas or dust are reviewed. Key words: ACTION EFFICIENCY, INDUSTRIAL AND ECOLOGICAL SAFETY, EXPLOSIVE, BLUST WORKS, GRANULAR AMMONIUM NITRATE, COAL POWDER, DISPERSITY, GRANULOMETRIC COMPOSITION, GRANULITE, EMULSION MATRIX
Доманов Виктор Петрович e-mail: [email protected]
Варнаков Юрий Владимирович e-mail: [email protected]
Батраков
Дмитрий Николаевич e-mail: [email protected]
Варнаков Кирилл Юрьевич e-mail: [email protected]
89
