CC BY
17
УЛК 622.235
© В.А. Белин, Б.Н. Кутузов, Э.А. Ачеева, 2014
В.А. Белин, Б.Н. Кутузов, Э.А. Ачеева
СНИЖЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ И ВЕРОЯТНОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ АЭРОВЗВЕСЕЙ ПРИ ПНЕВМОЗАРЯЖАНИИ
Приведены результаты экспериментальных исследований и результаты разработки высокоэффективных и экономичных методов механизированного заряжания взрывных полостей россыпными взрывчатыми веществами, повышающих уровень безопасности ведения горных работ.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, взрыв, аэровзвесь, электризация, искровой разряд, пневмозаряжание.
В настоящее время на предприятиях горнодобывающей промышленности при ведении взрывных работ в подземных условиях эксплуатируется оборудование, работающее на принципах пневматического транспорта.
Пневматический способ транспортирования и заряжания взрывных скважин обеспечивает высокую экономическую эффективность за счет высокой производительности заряжания скважин, особенно восстающих. Повышение плотности заряжания шпуров и скважин позволяет использовать дешевые взрывчатые вещества (ВВ), отличающиеся малой чувствительностью к механическим воздействиям.
Однако пневматическому транспортированию и заряжанию россыпных ВВ при определенных условиях сопутствуют процессы электризации транспортируемого взрывчатого вещества и различных элементов пнев-мотранспортирующих систем. Отдельные наэлектризованные элементы этих систем (шланг с движущейся внутри аэровзвесью ВВ, зарядный аппарат, соединительные муфты и т.д.), являясь сосредоточенными источниками зарядов статического электричества, могут привести к преждевременному срабатыванию ини-
циирующих устройств, вызвать воспламенение пылевоздушных смесей ВВ или их компонентов. Параметры электростатических полей могут достигать значений, достаточных для возникновения искрового разряда с последующим воспламенением аэровзвеси ВВ и ее детонации.
Поток наэлектризованных частиц ВВ можно представить как движение электрических зарядов. Изменяющееся электрическое поле этих зарядов будет создавать эффект переменного магнитного поля в неподвижных обмотках электроприборов, находящихся вблизи пневмопровода. На этом основании был разработан бесконтактный метод регистрации электрических явлений, протекающих в шланге. Такой метод позволил изучить процесс электризации ВВ в динамике. При этом характер исследуемого процесса не искажается присутствием в потоке наэлектризованных частиц каких-либо датчиков или зондов. Обработка осциллограмм, полученных бесконтактным методом, показала, что электризация аэровзвеси имеет знакопеременный пульсирующий характер, создавая условия для искровых разрядов внутри пневмопровода. Полученные осциллограммы показывают, что разряды с проводящих элементов наэлектризованных поверх-
ностей происходят через 0,12-0,3 с. Указанная частота разрядов получена с электроемкости 100 пФ, заряженной относительно земли до 10 кВ при транспортировании аммиачной селитры влажностью 0,1% по диэлектрическому полиэтиленовому шлангу. Энергия искрового разряда определялась по электроемкости и разности потенциалов наэлектризованных поверхностей, между которыми происходил разряд.
Следует отметить, что не сушеству-ет достоверных критериальных величин минимальных энергий воспламенения аэровзвесей ВВ, сопоставление с которыми параметров электростатического поля наэлектризованного потока ВВ представило бы реальную картину возможности воспламенения аэровзвеси в случае возникновения электрической искры внутри пнев-момагистрали. В связи с этим, были проведены исследования основных характеристик воспламеняемости аэровзвеси в зависимости от мошности электрической искры. Для этого были изучены параметры электростатического поля заряженного объема ВВ.
Механизм передачи тепла от искрового источника энергии к частицам аэровзвеси, движушейся по пневмомагистрали, чрезвычайно сложен. Сложность задачи рассмотрения разогрева частицы аэровзвеси до ее воспламенения определяется не стационарностью турбулентного движения потока транспортируемого ВВ и невозможностью строго теоретически описать процесс теплопередачи от источника к частице. Так как движение частиц в аэровзвеси подчиняется законам «идеального хаоса», то для рассмотрения передачи тепла от источника к частицам и от частиц к частице можно уподобить механизму теплопередачи в идеальном газе.
Таким образом, использование известных классических законов термо-
динамики и принятых допушений позволяет аналитически в конкретных условиях пневмотранспортирования ВВ определить: средние эквивалентные коэффициенты теплопроводности двухфазных систем; минимальные температуры воспламенения аэровзвесей на основе экспериментальной температуры воспламенения пыли алюминия; данные температур воспламенения аэровзвесей подчеркивают опасность эксплуатации граммони-та и гранулитов с большим содержанием дизельного топлива и алюминия. Из всех видов теплопередачи конвективный теплообмен является опреде-ляюшим фактором теплопередачи от искрового источника энергии потоку ВВ и его компонентам.
В результате исследований было определено, что если энергия, выде-ляюшаяся в разрядном промежутке, превзойдет величину минимальной энергии воспламенения аэровзвеси транспортируемого ВВ, произойдет воспламенение с возможной последу-юшей детонацией. Вероятность воспламенения ВВ определяется значениями:
1) величины энергии, выделяюшей-ся в объеме ВВ;
2) объемом аэровзвеси, в котором выделяется данная энергия;
3) теплопроводностью ВВ, так как она определяет параметры переходного процесса теплообмена.
Зная минимальную температуру воспламенения аэровзвеси, можно определить критическое значение электрического заряда, являюшегося основным параметром, от которого зависит энергия электростатического поля внутри зарядного шланга. Применяя закон сохранения энергии к потоку аэровзвеси и, учитывая начальные условия, можно рассчитать граничное значение заряда, превышение которого ведет к воспламенению ВВ. В табл. 1 даны значения максималь-
Таблица 1
Параметры электростатического поля, возникающего при пневмотранспортиро-вании гранулированных взрывчатых веществ
№ п/п Тип ВВ Относительная влажность ВВ х, % Объемный вес ВВ после транспортирования Н/м3 Потенциал электростатического поля ф, кВ Зарял массы ВВ,(макс) 0, К107 Энергия электростатического поля (макс) Дж-10-4
1. АС-4В 0,14 9500 1,5 16,15 7,3
2. АС-8В 0,1 9300 1,75 16,65 7,8
3. А-8 1,3 9700 2,1 22,8 14,8
4. АС-8 0,2 9800 1,1 15,13 6,4
5. АС-4 0,2 9600 0,9 13,15 4,8
6. Граммонит 79/21Б 0,3 9900 1,6 43,17 53,5
7. Игданит 0,2 8800 0,8 17,7 8,75
ного заряда и соответствующая ему максимальная энергия электрического поля для некоторых типов взрывчатых веществ.
Таким образом, были определены параметры электростатического поля, возникающего при пневмотранспор-тировании гранулированных взрывчатых веществ, приводящие к воспламенению потока аэровзвеси в зарядном шланге.
Однако минимальная температура воспламенения не является основной характеристикой воспламеняемости двухфазной системы. Гораздо более важно с практической точки зрения знание НКП, ВКП (нижнего концентрационного предела, верхнего концентрационного предела) и минимальных энергий воспламеняемости аэровзвесей гранулированных ВВ.
В качестве основных критериев пи-рофорности обычно принимают температурные показатели, минимальные энергии и концентрационные пределы воспламенения аэровзвесей.
Температура воспламенения наименьшая температура порошка, при которой от постороннего источника воспламенения в порошке происходит резкое увеличение температуры за счет экзотермического процесса,
заканчивающегося самопроизвольным возникновением пламени.
Температурные показатели порошков в момент фиксации температуры существенно зависят помимо их физико-химических свойств от влажности и давления газа, газового состава атмосферы и других внешних условий. Поэтому найденные экспериментально значения температурных показателей нельзя считать физико-химическими константами.
Наибольшей восприимчивостью к искровому разряду отличается грам-монит 79/21Б, что объясняется двумя причинами. Во-первых, это наиболее пылящее гранулированное ВВ, во-вторых - содержание тринитротолуола в составе граммонита снижает минимальный предел того количества теплоты, получение которого ВВ обеспечивает начало реакции горения. Более высокое значение минимальной энергии воспламенения граммона-ла А-8 объясняется, очевидно, меньшим содержанием тротила и меньшей склонностью разделения этого ВВ на компоненты. Омасленные гранулиты требуют для начала реакции горения значительно большего количества теплоты, так как отделенные минимально возможные фракции навески ВВ,
Рис. 1. График зависимостей минимальной энергии воспламенения аэрозолей граммонита от концентраций ВВ разной дисперсности d
Рис. 2. График зависимостей минимальной энергии воспламенения аэровзвесей гранулитов концентрации К = 140 г/м3 от диаметра их частиц d
содержащие в своем составе дизельное топливо, коагулируются в сгустки большого диаметра; алюминий обволакивается маслом, что резко снижает его способность к окислению.
На основании полученных значений W . , НКП и ВКП были построе-
тт' 1
ны графики зависимостей W(k) и W(d)
для аэровзвесей гранулированных ВВ (рис. 1 и 2). Приведенные зависимости создают достаточно полную картину пирофорности аэровзвесей промышленных гранулированных взрывчатых веществ и позволяют дать конкретные рекомендации предприятиям горной промышленности по безопасному ведению процесса пневматического транспортирования гранулированных ВВ.
Таким образом, были экспериментально определены зависимости: минимальная энергия воспламенения взрывчатого вещества зависит от концентрации аэровзвеси по нелинейному закону, а от дисперсности - прямо пропорционально.
Смачивание - это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с поверхностью твердого тела. Степень смачивания характеризует угол смачивания (краевой угол смачивания). Он определяется природой поверхности и составом водного раствора. Вода без добавок не смачивает гидрофобных материалов, таких как тротил и алюминий. Средством, улучшающим увлажнение, являются ПАВ, которые адсорбиру-ясь на границе раздела фаз, изменяют поверхностное натяжение и, как следствие, адгезию и смачивание.
При введении в водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ), они концентрируются на границе раздела «вода - тротил», при этом природа поверхностного слоя воды становится гидрофобной, поскольку молекулы ПАВ выстраивают-
Таблица 2
Минимальные энергии воспламенения гранулированных ВВ дисперсностью d = (0,16-0,25)*10-3
Тип ВВ Гранулты Граммо-нит Граммо-нал А-8 Игланит
АС-А АС-4В АС-8 АС-8В
W - , тт' Дж-10-3 Сухих ВВ 3,25 3,06 2,98 2,92 8,06 1,33 Оплавление
Влажных ВВ (2-4%) 29,6 28,5 28,0 28,2 12,4 15,5 -
ся на поверхности частоколом, образуя плотный мономолекулярный слой, в котором молекулы ориентированы гидрофобными конусами к твердой поверхности. Работая в диапазоне небольших концентраций и применяя ПАВ с большой адсорбционной активностью, можно резко уменьшить равновесный краевой угол смачивания и тем самым улучшить смачивание кристаллов тротила.
Движущая сила смачивания - капиллярное давление. Жидкость под действием атмосферного давления будет впитываться в поры твердого материала, причем усилие будет тем выше, чем меньше размер пор. Для гидрофобной поверхности в капилляре формируется мениск жидкости выпуклой стороной, направленной вглубь канала. Без добавок слой раствора будет находиться на поверхности тротила или алюминия, практически ее не смачивая. По мере увеличения концентрации ПАВ форма капли будет меняться, а угол смачивания постепенно будет снижаться. При краевом угле ниже 90° водный раствор постепенно начнет растекаться и одновременно впитываться, проникать в поры гидрофобной поверхности.
Искусственное увлажнение гранулированных ВВ проводилось с несколькими типами взрывчатых веществ. Исследовалась зависимость минимальной энергии воспламенения от относительной влажности при определенной их дисперсности и концентрации. Подобные эксперименты вызваны необходимостью проверить характер поведения влажных гранулированных ВВ при воздействии на них электрической искры различной мощности. При пневматическом транспортировании влажные ВВ электризуются в гораздо меньшей степени, чем сухие и, таким образом, энергия электростатического поля наэлектризованного потока ВВ уменьшается в
W„v.. г Д'" Ю * Н-ЗСЮ*<<*/МЧ
n , * ъ -XI*
W - - минимальная энергия воспламенения
min 1
аэровзвеси, К - концентрация аэровзвеси ВВ, d - дисперсность аэровзвеси, х - влажность ВВ
Рис. 3. Графики функций W . = f(X) для АС - 8В
WlHtF* ' /Д"< 1'' '
Рис. 4. Зависимость минимальной энергии воспламенения азровзвеси ВВ от влажности ВВ типа гранулит АС - 4В
и/...... . I'• < in '
1 3. ■ з -Л
К - концентрация аэровзвеси ВВ, d - дисперсность аэровзвеси ВВ, W - минималь-
1 1 ' min
ная энергия воспламенения аэровзвси ВВ
Рис. 5. Изменение в зависимости от влажности х граммонала А-8
5-10 раз. В табл. 2 приведены основные результаты экспериментального исследования минимальных энергий воспламенения гранулированных ВВ.
Результаты проведенных экспериментов приведены на рис. 3, 4 и 5.
Анализ экспериментальных данных по изменению минимальной энергии воспламенения, НКП и ВКП аэровзвесей гранулированных ВВ в зависимости от их влажности позволяет заключить, что снижение чувствительности к искровому раз-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
ряду и воспламенению аэровзвеси из компонентов взрывчатого вещества в 5-10 раз осуществляется путем смачивания до 2% водой для гидрофильных составов и до 4% в смеси с ПАВ для гидрофобных компонентов взрывчатых веществ. При этом рекомендуется осуществлять пневмотранспортиро-вание ВВ с максимально возможной плотностью потока для уменьшения вероятности возникновения опасной концентрации мелкодисперсной фракции аэровзвеси.
Белин Владимир Арнольдович - доктор технических наук, профессор,
декан Физико-технического факультета, зав. кафедрой, e-mail: bvamggu@mail.ru,
Кутузов Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор,
e-mail: b.n.kytyzov@ gmail.com,
Московский государственный горный университет;
Ачеева Элина Асламбековна - кандидат технических наук, доцент,
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), e-mail: elina.acheeva@mail.ru.
UDC 622.235
DECREASE IN INTENSITY AND PROBABILITY OF IGNITION OF EXPLOSIVE AERO SUSPENSIONS AT A PNEVMOZARYAZHANIYE
Belin V.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean of Physical-Technical Faculty, Head of Chair, e-mail: bvamggu@mail.ru,
Kutuzov B.N., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: b.n.kytyzov@gmail.com, Moscow State Mining University;
Acheeva E.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, North Caucasus Mining-and-Metallurgy Institute (State Technological University), e-mail: elina.acheeva@mail.ru.
The pneumatic way of transportation and loading of explosive cavities provides high economic efficiency at the expense of increase in labor productivity, increase of density of loading of shots and wells and allows to use the cheap VV, differing small sensitivity to mechanical influences. However pneumatic transportation and loading of loose VV is accompanied under certain conditions by processes of electrization of a transported material and various elements of pneumotransporting systems. The separate electrified elements of these systems with an aero suspension of VV moving inside, being the concentrated sources of charges of static electricity, can lead to premature operation of initiating devices, cause ignition the pylevozdushnykh of mixes VV or their components. Parameters of electrostatic fields can reach values, sufficient for emergence of the spark category with the subsequent ignition of an aero suspension of VV and its detonation. Results of pilot studies and results of development of highly effective and economic methods of the mechanized loading of explosive cavities are given in article by the loose explosives raising level of safety of conducting mining operations.
Key words: explosives, blast, airborn particles, static-charge accumulation, sparking, air-operated loading.
