CC BY
28
Используя формулу (9) и значения фигурирующих в ней величин, характерных взаимодействия ПГО с каплями жидкости, находим:
31=1/9- (Р.сР^А) /Р.у • 00)
где V - кинематическая вязкость воздуха; ро - плотность пыли (2,6-3 )•! О5 кг/м5; ¿я - сре размер пыли (10*10«) м; ¿в= (10^10^) м
1/9- (3(10,0^0и)/10-5/1,5 . 1а5)- 105=(102г10г) Учтем также, что в рассматриваемом случае: Ь«1<Рм;
ш =104м5/м5=0,1 л/м
м/с; >Уж=10-» м/с
Таким образом находим по формуле (9):
9=1 - ехр {-(1*1.5)} *( 0,65т0,9) .
Т.е. эффективность вымывания пыли из ПГО при его обработке двухфазной струей мо достигать 65-90%, в зависимости от диаметра пыли (дисперсности).
УДК 622.817:622.236
О.Г.Латышев, М.А.Азамов, М.В.Корнияков, А.И.Ермолаев
СПОСОБЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ВЗРЫВНОМ
РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОД
Наибольшее количество пыли наблюдается непосредственно после взрыва заряда ВВ и достигает нескольких граммов в 1 м' атмосферы [9]. В дальнейшем, за счет проветривания и гравитационного осаждения пыли, ее концентрация может снижаться до приемлемых величин. В этой связи главную опасность представляет взрыв угольной или сульфидной пыли сразу вслед за взрывным разрушением пород в забое. Вероятность реализации этой опасности пропорциональна суммарной поверхности пылевых частиц. Последняя возрастает с уменьшением размеров и увеличением концентрации пыли
Механизм образования пыли при взрывных работах можно представить следующим образом [6]. На первом этапе взрыва по горной породе распространяется ударная волна, напряжения на фронте которой превышают прочность породы на раздавливание. За счет этого некоторый объем массива переходит в дисперсное состояние (зона измельчения). На втором этапе, когда скорость фронта разрушения становится меньше скорости ударной волны, возникает область объемного сжатия за счет квазистатического давления продуктов детонации. При отрыве взрываемой части массива горные породы в этой области мгновенно переходят в одноосное (или плоское) напряженное состояние, что в несколько раз уменьшает их прочность. Переизбыток накопленной упругой энергии объемного сжатия приводит к разрушению породы
к мелкие пылевые фракции. В совокупности с диспергированием породы на первом этапе такое разрушение в зоне сжатия обеспечивает основное количество пыли при взрыве.
Объем зоны сжатия зависит от величины заряда взрываемого ВВ, его энергетических характеристик, конструкции заряда и физико-механических свойств горных пород. Учесть все эти факторы в единой модели не представляется возможным, поэтому удовлетворительной оце}жи энного механизма до настоящего времени не создано. Тем не менее, обобщая эмпирические сценки исследователей данного процесса, можно констатировать, что удельное количество пыли .1 мг/м3) прямо пропорционально прочности или коэффициенту крепости пород и количеству повременно взрываемого ВВ или его удельному расходу.
Эффективным средством уменьшения прочности горных пород является их обработка ■оверхностн о-активными веществами (ПАВ), действие которых основано на адсорбционном понижении поверхностной энергии тел (эффект Ребиндера) [10]. Для этой цели помимо собственно ПАВ в настоящее время широко используются различные растворы неорганических соединений, всю совокупность которых можно объединить названием «поверхностно-активные среды» (ПС). Применительно к горным породам рудных месторождений Урала использование ПС приводит к уменьшению прочности пород в 1,2-1,7 раза, модуля упругости - на 15-60% и асразивности - в среднем в 1,55 раза "7]. В свою очередь, такое разупрочнение пород снижает среднем в 1,4 раза) удельный расход ВВ. Добавка ПС в промывочную жидкость позволяет на 15-52% повысить скорость бурения шпуров и скважин, уменьшить затупление бурового жнетрумента [8].
Исследованиями В.А.Безматерных [1] установлено, что параметры взрывного разрушения монолитных массивов зависят от показателя дефектности горных пород уо, который может интерпретироваться как число нарушений Гриффитса (дефекты любого характера, способные алть начало трещине при динамическом воздействии) на единицу длины. В частности, расстояние лежду шпурами определится выражением
^ =(м1у0/2)(р1о/рС)'/чи/ли)1/2(^в/с.) . (1)
где М, - средний размер кусков взорванной породы; С - скорость продольной волны; рС и рЭ -акустическая жесткость соответственно горной породы и взрывчатого вещества; 1м? и - длина заряда ВВ и длина шпуров; Т) - коэффициент использования шпуров; Уо - массовая скорость горной ■городы на границе «ВВ-порода»; го- радиус заряда; С - скорость поперечной волны.
В качестве критерия эффективности пылеподавления, т.е. относительного снижения выхода сыли при взрывных работах с использованием поверхностно-активных сред, можно принять отношение среднего размера кусков 5= Мв/Мо (здесь и далее индекс о соответствует »сходному массиву, а индекс п - массиву, насыщенному раствором ПС. Анализ уравнения (1) -.оказывает, что при неизменных параметрах БВР величины: л1яв. Р,0,го - можно принять в качестве констант. Учитывая, что показатели р и СуУв мало зависят от действия ПС, из уравнения (1) получим:
5 = (№/№.) (То/Тв) (С./Со)'" . (2)
Таким образом, эффективность пылеподавления пропорциональна пробивному расстоянию И (л.н.с), скорости продольной волны С и обратно пропорциональна дефектности горной породы у.
В работе [21 для условий Североуральских бокситовых месторождений приведены табличные данные по оптимальным пробивным расстояниям № для различных по прочности горных пород. Корреляционный анализ приведенных результатов показывает, что данную зависимость можно описать уравнением №=0,42 + 17,7/6^, где - прочность пород при сжатии. Как показано на рис.1, полученная зависимость не выходит из границ интервалов, приведенных в работе [2], и может бьггь использована для количественной оценки тем более, что в контексте данных исследований достаточно констатировать, что 1/6^.
В общем случае показатель дефектности у можно принять пропорциональным концентрации трещин N в горной породе. Для пород Урала установлено, (3), что их прочность при сжатии связана с трещиноватостъю соотношением бсж=бо ехр(- <15Ы), где (1 - средний
137
диаметр минеральных зерен. Тогда
7./Т. =ехр (1-6^/6^) .
(3
С учетом всего вышеизложенного критерий эффективности пылеподавления при исп вании ПС можно представить в следующем виде:
5 = (б^/б^) (С./С )'/>е*р (1 - 6^/6^] . -
(4
_Я _____
7- '6- Ч- V: 1
Ш1а
Рис.1. Зависимость л.н.с. от прочности горных пород
Для оценки относительного снижения количества пыли при взрывных работах за насыщения массива растворами ПС может быть использована номограмма (рис.2). Достига разупрочнение пород в поверхностно-активных средах (см.выше) позволяет уменьшить в : 3,5 раза количество пыли при ведении взрывных работ.
Полученные оценки справедливы при полном насы нии горных пород поверхностно-активными средами предполагает предварительное нагнетание в массив ра ПС перед проведением взрыва, что вносит существе изменения в технологию горных работ, увеличивая их тру емкость. Преодоление указанных трудностей можно зовать в одном из следующих направле>{ий.
Бурение взрывных шпуров с использованием в кач промывочной жидкости растворов ПС способно не то увеличить (в среднем на 30%) скорость бурения, но заметно снизить прочность пород. Так, результаты изуч кинетики насыщения горных пород Урала и Донбасса [71 показывают, что действие активных растворов в 1,3-раза увеличивает зону влияния шпура и по самым ск оценкам обеспечивает не менее 30% максимально возможного уменьшения прочности масси При этом, учитывая малую стоимость ПС и простоту дозирующе-подающих устройств, практически не связано с дополнительными затратами. Б настоящее время имеется р теоретических и экспериментальных работ, выводы которых не укладываются в рамки тради онного подхода к явлению взрыва в твердых средах [4,5 и др.]. По мнению этих авторов, условиях реальных горных пород, обладающих значительной трещиноватостью, при велич давления газообразных продуктов взрыва порядка гигапаскалей и температуре, достигаю нескольких тысяч градусов, происходит интенсивный тепломассообмен продуктов детонации окружающей средой. Последнее выражается в проникновении с большой скоростью проду взрыва в дефекты среды и интенсивном теплообмене между продуктами взрыва и средой, пользу данной концепции говорит тот факт, что в трещинах после взрыва содержится от 40 70% общего количества взрывных газов.
Проникновение продуктов детонации в среду за границами взрывной полости может проявляться в расклинивающем действии взрывных газов внутри трещин, в уменьшении прочности горных пород вследствие сорбции гааов на поверхности трещин, в уменьшении количества газов во взрывной полости и значительных потерях тепловой ¡энергии продуктами детонации при их движении по имеющимся и образующимся трещинам в результате конвективного теплообмена со средой.
В связи с этим в качестве одного из направлений снижения количества пыли, образующейся при взрывных работах, можно предложить разработку рецептур ВВ с добавками химических веществ, образующих при своем
разложении поверхностно-активные компоненты, сорбция которых на поверхности тре ведет к снижению прочности массива.
Положительные результаты могут быть получены при отработке способа, предложенн
1 Уф
У
.у
,-ИИ
г|
а
г* 10
Рис.2. Зависимость снижения прочности и выхода пыли: 1 - С./С.-1; 2 - 1.2; 3 - 1.4
ИГТМ АН УССР [12] для предупреждения внезапных выбросов горной породы. Авторы предлагают инъецировать в породный массив растворы ПС, помещенные в шпуры, за счет давления газообразных продуктов детонации при взрывании горных пород. Надо полагать, что такой способ может быть достаточно эффективным при воздействии на плотные скальные массивы рудных месторождений.
Другим перспективным направлением борьбы с пылью при взрывном разрушении пород является изменение конструкции заряда ВВ и, в частности, использование пористых сердечников, что сопровождается перераспределением удельного веса фракций в гранулометрическом составе взорванной горной массы в сторону снижения количества тонкодисперсных частиц. Исследованиями [11] установлено, что наилучшим материалом сердечника является дерево (сосна), определены оптимальные соотношения диаметров сердечника и заряда ВВ.
Для проверки результатов, получе»тых в лабораторных условиях, на Дсттярском руднике проведена серия опытных взрывов сульфидных руд в выработке сечением 4,5 м2 (три - по штатным паспортам БВ1\ три - с использованием в конструкции • заряда деревянного сердечника). Для обеспечения чистоты эксперимента система вентиляции при этом отключалась. Шахтные наблюдения показали следующее. Среднее содержание пыли, измеренное специальными датчиками непосредственно после взрыва на расстоянии 5,9 и 14,0 м от забоя, составило при штатных зарядах ВВ: 504, 242, 287 г/м5, при использовании сердечников - 374, 170, 165 г/м'. Выход пыли снизился в 1,35-1,75 раза, что согласуется с результатами лабораторных исследований (уменьшение выхода фракции - 0,25 мм в 1,5 раза).
Кроме того, в двух взрывах из трех при применении обычных зарядов ВВ произошло воспламенение сульфидной пыли на расстоянии от 4 до 16 м от забоя выработки, в то время как при использовании деревянных сердечников такого явления не отмечалось. Следовательно, использование в конструкциях зарядов ВВ сердечников из инертного материала является эффективным средством борьбы с образованием и взрывами сульфидной пыли.
БИБАИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безматерных В.А., Симаков В.Г. Симметрия и критерии дробимости осколков //Изв.вуэов. Горный журнал. - 1978. - N12. - С.40-45.
2. Беаматерных В.А., Латышев О.Г., Черкасов В.М. Физические характеристики разрушаемости твердых горных пород //Изв.вуэов. Горный журнал. - 1981. - N10. - С.61-65.
3. Влияние поверхностно-активных веществ на развитие трещиноватости нагр ужения горных пород /О. Г.Латышев. Н. И.Иванова, СС.Иванова и лр.//Изв.вуэов. Горный журнал. - 1988. -N12. -С4-8.
4. Комир В.М., Воробьев В.В. Влияние проникновения продуктов детонации в среду при взрыве на изменение ее физико-механических свойств //ФТПРМИ. - 1986. - N2. - С107-109.
5. Комир В.М., Кузнецов В.М., Шацукевич А.Ф. Влияние газов - продуктов детонации на разрушение горных пород взрывом //ФТПРМИ. - 1979. - N6. - С42-45.
6. Кучерявый Ф.И., Кожушко Ю.М. Разрушение горных пород - М: Недра, 1972. - 240 с.
7. Латышев О.Г., Иванова С.С., Суворов Б.И. Влияние поверхностно-активных веществ на физические свойства горных пород //Изв.вуэов. Горный журнал. - 1985. - N12. - С1-5.
8. Латышев О.Г. Перспектива использования поверхностно-активных веществ для управления свойствами пород в процессах строительства шахт //Строительство шахт, рудников и подземных сооружений: Межвуз.науч.-темат.сборник. - Свердловск: СГИ, 1988. - С69-73.
9. Недин В.В., Нейков О.Д. Борьба с пылью на рудниках. - М.: Недра, 1965. - 200 с.
10. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных средах. Избранные труды. - М.: Наука, 1979. - 382 с.
11. Сравнение дробящего действия взрыва одиночных зарядов ВВ разных конструкций /
В.А.Безматерных, В.Г.Кузьмин, А.Г.Пструшин, МА.Азанов //Изв.вуэов. Горный журнал. - 1990. - N9. -С67-73.
12. Физико-химическое воздействие на прочность горных пород (экспресс-информация). -М: ЦНИЭИуголь, 1980. - 28 с.
