CC BY
52
© А.В. белин, В.А. Белин, Б.Ф. Кирин, Г.М. Крюков, 2002
УЛК 622.807:622.235
А.В. Белин, В.А. Белин, Б.Ф. Кирин, Г.М. Крюков ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕЛОВАНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПЫЛИ ПРИ ВЕЛЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
Одним из негативных явлений при ведении взрывных работ в промышленности является формирование пыли - мелкораздробленных частиц породы размером в 0,5 мм и менее. Особенно нежелательным является формирование угольной пыли при ведении взрывных работ по углю, поскольку ее формирование очень часто создает взрывоопасную атмосферу в угольных шахтах, а взрыв угольной пыли приводит не только к тяжелым авариям, но и к гибели людей. Поэтому ведение взрывных работ в угольных шахтах с минимизированным формированием угольной пыли является актуальной практической задачей.
Для решения этой практической задачи необходимо решить научную задачу - установить закономерности формирования пылевидных частиц породы размером 0,5 мм и менее при взрывах зарядов промышленных ВВ (известно, что частицы размером 0,5 мм и менее формируют пылеобразное облако при взрывах зарядов промышленных ВВ).
Предварительно проанализируем результаты выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований по оценке содержания мелкораздробленных частиц породы горной массы, разрушаемой взрывом.
Основные результаты в этом направлении выполнялись для оценки содержания "отсева" - частиц размером 5 мм и менее на карьерах строительных материалов и в дробилках.
Наиболее правдоподобная модель крупномасштабного камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда была разработана в 60-70-х гг. в ИФЗ АН СССР проф. Н.В. Родионовым с сотрудниками под руководством академика М.А. Садовского.
По этой модели распределения напряжений около взорванного сосредоточенного заряда в зоне радиального трещинообразования описывается соотношениями:
^ (’)
г = —2с
> гг рас
урр
=о,
(2)
где сгг - радиальное сжимающее напряжение, Па; срас - предел прочности пород на одноосное растяжение, в том числе и на раскрытие, развитие на-рушенностей, имеющихся в отдельностях, и связей между ними; Ьо - внешний радиус зоны радиального трещинообразования (регулируемого дробления),
м;
г - радиус рассматривае-
мой точки породы,
г < Ь,
азимутальное напряжение, Па; саа - полярное напряжение, Па.
Причем радиус зоны ее мелкодисперсного дробления (на куски существенно меньшего размера отдельностей в породе) определяется по формуле
2с
'01
рас
(3)
где Ь* - внешний радиус зоны мелкодисперсного дробления, м; Ьсж - предел прочности пород на одноосное сжатие, Па.
Кроме того, по этой модели предполагается формирование в зоне мелкодисперсного дробления породы, многократных переукладок зерен, сопровождающиеся дилатансией и возможным дополнительным измельчением, разрушение отдельных кусков. Предполагается, что размер кусков в этой зоне может быть от нескольких десятков сантиметров до пылевидных. Причем распределение напряжений в этой зоне описывается соотношениями вида:
саа с РР
Ь ' г < Ь* ; (4)
= 0,5сгг. (5)
Однако установить закономерности формирования пылевидных частиц породы при взрывах зарядов промышленных ВВ по этой модели проблематично.
По указанным обстоятельствам в ряде научных институтов России разработки новых, более совершенных моделей разрушения горных пород взрывом зарядов промышленных ВВ продолжались. Одна из них была разработана в последние годы в МГГУ проф., д.т.н. Г.М. Крюковым. Оценки зон разрушения горных пород на карьерах при проходке подземных выработок, рыхлении мерзлых грунтов и т.д. по его модели удовлетворительно согласуются с опытными данными.
В этой методике использовано давно известное соотношение:
£ = Ч-V (6)
где £ - масса взрываемого заряда ВВ, кг; V - объ-
3
ем породы, разрушаемый взрывом, м ; Ч - удельный расход данного ВВ, соответствующий заданной степени дробления пород.
На основании (6) доказано, что распределение напряжений около одиночного взрывающегося камуфлетного удлиненного заряда промышленного ВВ и определяющее процесс разрушения пород вблизи него, описывается соотношениями:
2
= -Ро
л0
= -сг
0
(7)
сг
сж
сг
аа
сг
гг
г
где сгг - радиальное сжимающее напряжение, Па; Р0 - давление продуктов детонации (ПД) в зарядной полости в момент взрыва заряда, Па; = 0,5d, здесь
С - диаметр удлиненного заряда, м; г - расстояние рассматриваемой точки породы до оси заряда, м; саа - полярное напряжение, Па; с22 - напряжение вдоль оси заряда.
Из (7) следует, что радиус зоны интенсивного разрушения породы Ь* определяется формулой
Ь* = а
Р,
0
0
с
(8)
раз
где
с раз
1з|_1 -0,079(/-!5) + 0,0019/-15)2]-108 , Па; (9)
I - крепость пород по М.М. Протодьяконову.
Предел прочности пород на раздавливание с раз
соответствует их интенсивному мелкодисперсному дроблению на частицы размером 1 мм и менее. Соотношение (9) установлено для пород крепостью
I > 6 .
В случае одиночного камуф летного взрыва сосредоточенного заряда промышленного ВВ для Ь*
получено соотношение:
Ь* = а0 3
Р0
I с
(10)
раз
где а0 - радиус эквивалентного сферического заряда, м.
Кроме того, выяснилось, что при W ^ Wl влияние дополнительной свободной поверхности на процесс разрушения горной породы пренебрежимо мало и при практических оценках может не учитываться. Причем для Wl получено соотношение:
(11)
Ь0 = а0д,
Р0
рас
(12)
где W - глубина заложения заряда (расстояние заряда до дополнительной свободной поверхности), м; Wl - первое критическое значение W ; Ь0 - радиус зоны радиального трещинообразования (регулируемого дробления), м; срас - предел прочности породы на одноосное растяжение, Па.
Как известно, давление Р 0 в зарядной полости в момент взрыва описывается соотношением:
= РапУок рВВ Т
Т0//арвв )
Р0 =
(13)
где Рат = 1,01-105 - стандартное атмосферное давление, Па; Т0 = 288 - стандартная температура, К;
Рвв - плотность заряжания, кг/м3; а - коэффициент, при котором а - Рвв есть коволюм - собственный относительный объем молекул ПД, м3/кг, причем 3 3
при Рвв Р1-10 кг/м коэффициент а = 0,001, а при
Рвв ^ 1-103 кг/м3 коэффициент а = 0,0006; Т - абсолютная температура ПД в момент взрыва, К. Величина Т рассчитывается по формуле
Т = ^+273 , К, (14)
С
V
здесь £ - теплота взрывчатого превращения ВВ, Дж/кг; Cv - теплоемкость ПД при постоянном объеме, Дж/кг-°С.
При этом с учетом (8), (10), (13), (14) для обоих видов зарядов для объема мелкодисперсного дробления нами было установлено соотношение:
Vдр = 2 - т -б , (15)
где г - параметр связанный с изменением термодинамических параметров ВВ и имеющий значения 11,1-10-8, м3/Дж.
Произведение т -£ есть ни что иное, как Э -
энергия заряда, так что, вообще говоря, вместо (15) можно записать
Vдр=2 - Э.
(16)
Для проверки полученных зависимостей и установления закономерности формирования пылевидных частиц (т.е. размером 0,5 мм и менее) при взрывах зарядов промышленных ВВ в зависимости от твв, 6, W и их формы, с одной стороны, и свойств разрушаемой породы - с другой были проведены лабораторные исследования.
Поскольку проведение экспериментальных исследований на углях сопряжено со значительными затратами вследствие большой вариабельности свойств угля они были разделены на два этапа.
На первом этапе проводились экспериментальные исследования на силикатных блоках. В этих исследованиях устанавливались все интересующие закономерности, а на втором этапе проводились соответствующие опыты с блоками угля по подтверждению или уточнению полученных на первом этапе зависимостей.
Взрывная камера. Опытные взрывы проводились в стальной взрывной камере с внутренними размерами 300x300x200 мм. Толщина стенок камеры составляла 10 мм и позволяла осуществлять взрывы зарядов ВВ с энергией до 20 кДж. Съемная стальная крышка толщиной 10 мм плотно крепилась на камере и исключала разлет не только кусков разрушенных блоков, но и продуктов детонации.
Взрывчатое вещество. В качестве ВВ использовался пиротехнический состав (ПС). Он представляет собой белый порошок с размером зерен менее 0,2 мм. Теплота взрывчатого превращения чистого ПС составляет 1200 Дж/г. Путем добавления порошкообразной поваренной соли ИаС1 теплота взрывчатого превращения зарядов уменьшалась от 1200 до 600 Дж/г. Скорость детонации зарядов составляла ~ 2000 м/с. Заряды ПС надежно инициировались спе-
циальной электроразрядной аппаратурой в шпурах диаметром > 1 мм.
Разрушаемые блоки. Испытания проводились с силикатными блоками размером 60x60x60 мм и 120x120x60 мм. Эти блоки состояли на 30 % из силикатного цемента, на 10-15 % из овальных силикатных зерен диаметром 6-10 мм и на 50-60 % - из округлых силикатных зерен диаметром 1,5-2 мм. Физические свойства блоков были следующими:
плотность р = 2,1 кг/м3, модуль Юнга Е= 4,2-109 Па, коэффициент Пуассона ц = 0,3, скорость распространения продольных волн С1 = 3,13-103 м/с, предел прочности на одноосное сжатие ссж = 2,35-107 Па, предел прочности на одноосное растяжение срас = 2,73-106 Па. Материал силикатных блоков относится к хрупким породам, они деформировались упруго при одноосном сжатии почти до разрушения.
Заряды ПС. В блоках пробуривались шпуры диаметром от 3 до 8 мм, в которых размещались заряды массой от 0,15 до 1 г. В качестве забойки использовался промытый кварцевый речной песок с размерами частиц менее 0,5 мм. Заряды инициировались путем взрыва тонкой нихромовой проволочки от специальной электроимпульсной установки.
В первой серии проведенных экспериментальных исследованиях определялась масса т0-2
фракции с размерами частиц 0 < ё < 2,0 мм соответственно простым взвешиванием фракций на обычных рычажных лабораторных весах с погрешностью ±0,5 г. При необходимости объем соответствующей фракции находился простым делением Vо-2 = т0—2/Р , поскольку р - плотность силикатных блоков изменялась незначительно.
В качестве же основного критерия при оценке содержания пылевидных частиц в разрушенных взрывом силикатных блоках принято содержание т0—0 5 частиц размером в раздробленной породе.
0 Р ё < 0,5 мм.
Воспользовавшись критерием Стьюдента мы определили число опытов, которые необходимо провести, чтобы с вероятностью Р = 0,9 (уровень значимости
а = 0,1) полученные значения т"0-2 находились в доверительном интервале е = 0,1т"0—2 = 0,015 . прс = пзд и Прс , имеет место при Прс = пзд = 2,1. Расчеты показывают, что для поставленных условий по разработанной методике необходимо проводить три опыта. Для обеспечения получения достоверных результатов было решено при фиксированных значениях внутренних регулируемых факторов, тзр , £, ёзр, W по возможности проводить по четыре опыта.
В результате проведенных опытов можно сделать вывод, что объем зоны мелкодисперсного дробления пород (формирования пылевидных частиц) при рыхлении пород взрывом зарядов промышленных ВВ однозначно зависит от диаметра зарядов, от их длины, и от площади контакта зарядов ВВ с разрушенной породой, и может быть оценен через обобщающий, универсальный параметр - энергию зарядов Э , что подтверждает теорию, изложенную в первом разделе.
Учитывая это обстоятельство, нами были введены два дополнительных удельных параметра - т1 = т1 / Э
и Э = Э ^ср . Удельный параметр т есть величина
выхода пылевидных частиц породы, приходящаяся на единицу энергии заряда в блоке. Удельный параметр Э - характеризует энергонасыщенность разрушаемого взрывом блока. Величина Vcp - это средний объем
только взрываемых блоков в серии.
Резюмируя результаты выполненных экспериментальных исследований и их теоретического обобщения, можно сформулировать следующие основные выводы:
1. Интенсивное мелкодисперсное взрывное дробление пород с выделением пылевидных фракций (< 0,5 мм) происходит только в отдельностях, в которых находится заряд (или его часть) промышленного ВВ.
2. Критерием, которым определяется выход пылевидных фракций при взрывах зарядов промышленных ВВ, является энергонасыщенность отдельности, в которой размещен заряд и рассчитываемая как Э = Э/Vот , где Э - энергия заряда (или часть его), Дж; Vот - объем отдельности, в которой размещен заряд, м3
3. Масса пылевидных фракций, формирующихся при взрывах зарядов промышленных ВВ определяется соотношением т1 = т1 - Э ,
где т1 - удельная масса выхода пылевидных фракций, и возрастающая по линейному закону с увеличение энергонасыщенности отдельностей.
т1 = (а + Л^Э )-10-3 , г/Дж
здесь А0 и А - параметры, зависящие от физикотехнических свойств разрушенных пород.
4. Применение одновременного с различием момента инициирования зарядов в несколько мкс, размещенных в одной отдельности, позволяет уменьшить выход пылевидной фракции не менее чем в 2 раза по сравнению с последовательным (короткозамедленным) взрыванием этих же зарядов.
5. При одновременном взрыве нескольких зарядов, размещенных в разных отдельностях, отмечена тенденция к незначительному уменьшению выхода пылевидных фракций.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Белин А.В, Белин В.А., Кирин Б.Ф, Крюков Г.М — кафедра «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.
