CC BY
54
УДК 622.235:622.822.2
П.И. Кушнеров
Кемеровский филиал ЗАО ИТЦ «Взрывиспытания»
В.И. Буханов
ООО НПО «Взрывное дело»
Причины пожаров при короткозамедленном взрывании
Приведены результаты исследований опасности выброса из шпуров остатков от гильз ЭДКЗ и замедляющих составов. Результаты исследований представлены в виде прямых измерений температуры нагревания гильз и втулок ЭДКЗ, расчета температуры горения замедляющих составов разных типов ЭДКЗ и оценки пожароопасности на специальных ватно-марлевых щитах
Опыт применения короткозамедленного взрывания (КЗВ) на угольных и сланцевых шахтах показал, что, несмотря на его достоинства, ряд вопросов требует ответа и дополнительных исследований. Например, почему при КЗВ увеличивается число пожаров, часто происходит боковое уплотнение патронов ВВ в смежных шпурах и «выгорание» шпуровых зарядов, какие интервалы замедлений между смежными зарядами целесообразно считать оптимальными и т.д.
В связи с этим после внедрения КЗВ на угольных шахтах была поставлена задача исследовать случаи загорания горючих материалов в призабойном пространстве при взрывных работах, найти причины таких пожаров и разработать рекомендации по их предотвращению [1] .
По данным исследований, на шахтах происходит до 28 % воспламенений метана при взрывных работах, в том числе из-за преждевременного выброса продуктов взрыва и раскаленных частиц. При этом количество пожаров в очистном пространстве лав по этой причине составляет до 50%.
Анализ случаев пожаров и воспламенений метана при взрывных работах показал, что основной причиной загорания горючих материалов в подобных случаях являются раскален-
ные частицы, вылетающие из шпуров при «холостых выстрелах». Эти частицы представляют собой металлические остатки от деталей ЭД и от сгоревшего замедляющего состава [2].
Нагревание металлических гильз и втулок ЭДКЗ происходит в основном при горении замедляющего состава внутри втулок, а также в результате температурного воздействия инициирующих ВВ при взрыве внутри гильз ЭД и инициируемого ВВ (патрон-боевик) при взрыве вокруг электродетонатора.
Температуру горения замедляющих составов ТС, 0С, можно определить на основании закона Гесса о постоянстве суммы теплоты по формуле:
тс = о / £С т + То, (1)
где Q - теплота реакции,ккал;
ЕСт - суммарная теплоемкость продуктов реакции, ккал/ °С; То - первоначальная температура состава, °С.
В таблице 1 приведены данные о температуре горения замедляющих составов.
Таблица 1 - Температура горения замедляющих составов ЭДКЗ
Тип электродетонатора Удельная теплота горения, кал /г Температура горения состава, °С
ЭДКЗ - 25 296,2 1450
ЭДКЗ - 50 214,9 1910
ЭДКЗ - 75 192,7 1580
ЭДКЗ - 100 176,3 1340
ЭДКЗПМ - 15 240,2 1590
ЭДКЗПМ - 30 192,7 1580
ЭДКЗПМ - 45
ЭДКЗПМ - 60
ЭДКЗПМ - 75 176,3 1340
ЭДКЗПМ - 90 240,2
ЭДКЗПМ - 105
ЭДКЗПМ - 120
Предохранительные электродетонаторы типа ЭДКЗПМ-15 имеют температуру горения замедляющих составов немного ниже (до 1590°С), чем ЭДКЗ - 25 (до 1910°С), что объясняется увеличением содержания горючего компонента - кристаллического кремния Б1. Однако большая часть этого компонента не успевает сгорать и попадает в шлак в виде кристаллического кремния, который догорает в атмосфере воздуха после вылета из шпура, повышая пожа-роопасность ЭДКЗПМ - 15. При этом, чем выше серия замедления, тем больше горючего компонента в замедляющем составе и дольше продолжительность нагревания колпачков и гильз [3,4], а, следовательно, выше пожароопасность.
Температуру нагревания гильз ЭДКЗ при сгорании замедляющего состава можно определить по формуле:
Q +
т=То, (2)
Ср • т
где 0 - теплота сгорания 1 г замедляющего состава, ккал;
Ср - теплоемкость нагреваемого материала - 0,113 ккал/ (г • °С); т - масса материала, т = ро • V =7,85- 0,241 и 1,9 г; То = 20°С.
Расчеты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Температура нагрева гильз и втулок ЭДКЗ
Тип электродетонатора Количество замедляющего состава, г Температура (расчетная) гильз и втулок ЭД, °С
ЭДКЗПМ - 15 0,18 202
ЭДКЗПМ -30 0,25 225
ЭДКЗПМ -45 0,25 225
ЭДКЗПМ -60 0,35 315
ЭДКЗПМ -75 0,28 231
ЭДКЗПМ -90 0,36 315
ЭДКЗПМ -105 0,41 357
ЭДКЗПМ -120 0,46 397
Из таблицы 2 следует, что у предохранительных ЭДКЗ с увеличением массы замедляющего состава температура нагревания гильз повышается. При этом, чем больше серия
замедления, тем выше температура остатков металлических частей электродетонаторов и твердых остатков сгоревшего замедляющего состава.
Известно [5,6], что при взрыве ВВ на контакте с металлом детонационная волна отражается от его поверхности. При этом часть волны проходит внутрь металла. Под действием этой волны металл сжимается, а затем при выходе ее на свободную поверхность расширяется (разгружается до нулевого давления). При этом поверхность металла нагревается. Температура нагрева поверхности зависит от силы взрыва ВВ на контакте с металлом или любым другим материалом.
Энергию необратимого нагрева и соответственно температуру за фронтом ударной волны Т можно найти, используя законы сохранения массы и количества движения и уравнение ударной адиабаты Гюгонио путем совместного рассмотрения системы этих законов [6, 7], из выражения:
Су ■ (Т - То) = 0,5 и2 + 0,5 Рх ^, (3)
где Уо - удельный объем вещества до взрыва; У0=1/р0;
Б - скорость распространения ударной волны по невозмущенному массиву, м/с; и - массовая скорость за фронтом ударной волны, м /с.
Из данного соотношения следует, что для расчета температуры за фронтом ударной волны необходимо определить экспериментально: массовую скорость за фронтом ударной волны и, упругое давление как функцию объема Рх (У) и скорость ударной волны в металле Б.
Для расчета величины и использованы методы, изложенные в работах [5, 8], в которых массовую скорость рекомендуется определять из выражения:
Б = С + Б ■ и, (4)
где С - скорость звука в среде (для меди С=3750 м/с);
Б - коэффициент, учитывающий свойства металла (для меди Б=1,497«1,5).
Скорость ударной волны в металлах Б измерялась экспериментально (рисунок 1) по
методу СО АН СССР путем взрывания заряда тетрила массой 100 г (диаметр 28 - 32 мм) на медных пластинах различной толщины (2-10 мм). Причем для исключения воздействия на ударную волну боковых поверхностей пластин их диаметр принимался размером, в 5 - 10 раз превышающим толщину.
Для определения времени прохождения ударной волны по исследуемому материалу с обеих сторон пластин устанавливались электроконтактные датчики, изготовленные из медной проволоки диаметром 50 - 100 микрон. Датчики через тиратронный преобразователь импульсов подсоединялись к осциллографу ОК - 19 М2 с диапазоном развертки 0,1 - 5,0 мкс, после чего за 3-5 с до взрыва заряда ВВ включался генератор масштаба времени. Таким образом, на одном кадре одновременно фиксировались отметки времени и осциллограмма процесса.
1 КПИВ-100
2
3
1 - ЭДКЗ; 2 - заряд ВВ; 3 - синхронизирующая связь; 4 - медная пластина; 5 - запускающее устройство; 6 - осциллограф ОК - 19 М2
Рисунок 1 - Схема измерения скорости ударной волны Б в металлических пластинах
В расчетах использовались средние значения измеренных скоростей ударной волны в пластинах Бср.. Непосредственно измерить скорость ударной волны на границе раздела
«ВВ - металл» при исследованиях не представилось возможным, поэтому температура гильз принималась условно равной значениям, соответствующим среднему значению скорости ударной волны.
Расчетом по формуле 4 была определена массовая скорость за фронтом ударной волны и при плотности тетрила 1,55 г/см3, средней скорости ударной волны Бср = 5500 м/с, скорости звука в среде (медь) С = 3750 м/с и коэффициенте, учитывающем свойства металла (медь), Б = 1,5.
Затем из уравнения 3 была определена температура нагрева гильз электродетонаторов (ЭД) под действием ударной волны от инициируемого им ВВ (действие на ЭД снаружи).
Таким же образом, используя данные Ф.А. Баума и других [6], определена температура нагрева на границе раздела «ВВ-металл. Эта температура характеризует степень нагревания поверхности металла в местах расположения инициирующего ВВ (гексоген, тетрил), т.е. внутренней поверхности гильз электродетонаторов, и составляет около 1020°С. Определить глубину прогрева стенок гильз ЭД со стороны взрыва ВВ патрона- боевика в пределах программы исследований не представилось возможным.
Сводные данные о температуре нагрева гильз ЭДКЗ по разным причинам приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Температура нагревания разных частей ЭДКЗПМ - 15
Температура горения замедляющего состава, °С Температура нагревания гильз, °С
при горении замедляющего состава под действием ударной волны (ВВ-металл)
1340 - 1590 (измеренная) 202 - 397 (расчетная) 360 - 600 (расчетная)
Под действием твердых остатков, имеющих данную температуру, могут легко загораться хлопчатобумажные и другие горючие материалы, используемые в шахтах, поскольку они имеют температуру воспламенения ниже 3950С, а температуру тления 120 - 1500С.
Возможность возникновения пожаров при КЗВ проверена в лабораторных условиях МакНИИ, где выбрасываемые при взрыве остатки от ЭДКЗ улавливались с помощью ватно-марлевого щита, устанавливаемого на расстоянии 10 - 15 м от устья мортиры. При опытных взрывах часто наблюдались случаи перехода тления ваты (рисунок 2) на щитах к воспламенению всей массы щита.
Рисунок 2 - Следы тления ваты на щите и остатки от гильз ЭДКЗ
Остатки сгоревшего замедляющего состава представляли собой мелкие зерна величиной 1-3 мм или крупные куски шлака. Остатки шлака сгоревшего замедляющего состава, как правило, всегда воспламеняли материал щита. Остатки от металлических частей ЭДКЗ представляли собой деформированные кусочки металла (рисунок 2) или мелкие частицы, температура которых недостаточна для поджигания материала щита.
Частицы, выбрасываемые из канала мортиры при взрывании без забойки, изучались также с помощью фотографирования на неподвижную пленку (рисунок 3).
Полученные данные показывают, что при взрыве ЭД мгновенного действия (рисунок 3,а) раскаленных частиц выбрасывается меньше, чем при взрыве ЭДКЗ (рисунок 3, б).
Пожароопасность выбрасываемых остатков ЭДКЗ значительно снижается при использовании гидрозабойки в полиэтиленовых ампулах (рисунок 3,в; рисунок 4) или водораспыли-тельных завес, создаваемых на пути выброса раскаленных частиц с помощью распыления воды из полиэтиленовых сосудов.
Рисунок 3 - Взрывание в мортире разных типов ЭД: а - ЭД-8Ж, б - ЭДКЗ-25 (100 мс) без забойки; в - с гидрозабойкой 0,3 м
а
б
Рисунок 4 - Выброс раскаленных продуктов взрыва при взрывании в лабораторных условиях: а - без забойки, б - с гидрозабойкой
На основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы:
1 Замедляющий состав при времени горения более 100 мс (по номиналу) успевает нагреть корпус втулок до 220 - 397°С. Кроме того, изнутри на гильзу ЭДКЗ действует инициирующее ВВ, дополнительно нагревая стенки гильз на поверхности раздела «ВВ - металл» до и 600°С, а по массе гильзы - до 360°С. Снаружи на гильзы электродетонаторов действует взрыв бризантного ВВ, усиливая температурное воздействие инициирующего ВВ.
2 Остатки от сгоревшего замедляющего состава, выбрасываемые в виде твердых «коксиков», имеют наиболее высокую пожароопасность. При этом твердые остатки отличаются большей агрессивностью, чем мелко раздробленные (до 3 мм). В связи с этим целесообразна разработка ЭДКЗ, у которых замедляющий состав при сгорании не спекался и не давал бы больших твердых остатков.
3 Хлопчатобумажные материалы (спецодежда, ветошь, пакля и горюче-смазочные материалы) под действием раскаленных частиц могут тлеть при 120-150°С, а в сухих благоприятных условиях даже воспламеняться при 220-250°С. В связи с этим до взрывания их необходимо убирать из призабойного пространства на расстояние до 20 м от места взрывания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Кушнеров, П.И. Исследование опасности выброса из шпуров раскаленных частиц при взрывных работах в условиях интенсивного выделения метана / ИГД им. А.А. Скочинско-го. - М., 1968.
2 Кушнеров, П.И. Температура твердых частиц, выбрасываемых из шпуров /П.И. Кушнеров, А.Ф. Федоров, Л.И. Долженко //Техника безопасности, охрана труда и горноспасательное дело. -1968. -№ 6. -С.51 - 54.
3 Кушнеров, П.И. Безопасность электровзрывания в угольных шахтах. - М.: Недра, 1980.
- 87 с.
4 Кушнеров, П.И. Безопасность взрывных работ при электровзрывании на угольных и сланцевых шахтах. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. - 611 с.
5 Андреев, К.К. Теория взрывчатых веществ /К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз,
1960.
6 Баум, Ф.А. Физика взрыва / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкевич. -М.: Наука, 1975.
- 704 с.
7 Зельдович, Я.Б. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений /Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. -М.: Наука, 1966.
8 Ройс, М. Сжатие твердых тел сильными ударными волнами // Динамические исследования твердых тел при высоких давлениях. -М.: Мир, 1965.
