УДК 622.235.36

Калякин С.А.

Донецкий национальный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ БЕЗОПАСНУЮ ДЛИНУ ЗАБОЙКИ ШПУРОВ ПРИ ВЗРЫВЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Взрывные работы в угольных шахтах являются одним из самых эффективных способов разрушения горных пород при проведении горных выработок. Однако на подготовительных участках шахт, где широко применяются взрывные работы, отмечены случаи воспламенения метановоздушной смеси (МВС) или пылевоздушной смеси (ПВС). Это указывает на потенциальную, а в ряде случаев, реальную опасность взрывов взрывоопасной среды в угольных шахтах при взрывных работах. Поэтому повышение безопасности взрывных работ в угольных шахтах, имеет важное научное и практическое значение.

Анализ последних исследований и публикаций показал, что безопасность взрывных работ базируется на соблюдении пылегазового режима при проведении взрывных работ, применении предохранительных взрывчатых веществ (ПВВ), средств взрывания, внутренней забойки шпуров, электрического способа короткозамедленного взрывания с параметрами, исключающими возникновение опасных ситуаций в забое выработки, безопасных приборов электровзрывания, средств взрывозащиты в горных выработках. Положения этих требований формируют современную концепцию безопасности взрывных работ в шахтах, опасных по газу и взрывам угольной пыли и как видно применение внутренней забойки является одним из важных элементов этой концепции. Несмотря на многолетнюю историю изучения безопасных параметров внутренней забойки шпуров при взрыве ВВ во взрывоопасной атмосфере, ряд значимых факторов, которые определяют ее безопасную длину, обеспечивающую безопасность взрывания ВВ во взрывоопасной атмосфере до конца не изучен. Следовательно, не изученность этих факторов, ограничивает возможности по выбору забоечных материалов и определения оптимальных параметров шпуровых зарядов ВВ в шахтах опасных по газу или пыли.

Целью статьи является исследование антигризутности ВВ, времени истечения продуктов взрыва ВВ из зарядной камеры и безопасных параметров внутренней забойки шпура, а также установление взаимосвязи между предельным зарядом ПВВ, определяющим уровень его предохранительных свойств и временем выбрасывания забойки из шпура продуктами взрыва заряда.

Рассматривая забойку шпуров как средство обеспечения безопасности взрывных работ, ряд авторов в своих работах пытались дать объяснение эффекту влияния ее длины на предельный заряд ВВ в МВС [1; 2]. Наиболее полное системное обоснование безопасных параметров внутренней забойки шпуров было дано А.И.Селезневым, Ф.М Галаджием и В.И Стикачевым в МакНИИ. Их работами была установлена безопасная длина забойки в шпурах и необходимое время для запирания продуктов взрыва ВВ во взрывной камере. Однако, Н.Я. Удовиченко установила, что безопасная длина забойки в канале мортиры не есть постоянная величина и для различных ПВВ может существенно отличаться, в зависимости от их массы заряда и от того, сколько (какое количество) пламегасителя содержится в ПВВ. Учитывая это проф. Н.Р. Шевцов предлагает учитывать при определении безопасной длины забойки пламегасящую и флегматизирующую МВС эффективность забойки [3]. Им показано, что предохранительные свойства ПВВ могут быть существенно повышены с помощью забоечного материала, который при движении в шпуре вместе с продуктами взрыва ПВВ отбирает у них тепло и снижает температуру газообразных продуктов взрыва. В результате такого взаимодействия снижается интенсивность свечения продуктов взрыва ПВВ, выбрасываемых из шпура. Кроме того, под действием продуктов взрыва ПВВ забоечный материал вылетает из канала шпура с образованием облака, состоящего из мелких частиц забойки, которое флегматизирует МВС или ПВС.

Основным параметром, характеризующим предохранительные свойства облака, создающего предохранительную среду способную предотвращать и локализировать взрыв заряда ВВ, является взрывопредотвращающая концентрация флегматизатора в этой среде – С_п. Она определяется по формуле:

, кг/м³, (1)

где m_ф - масса флегматизатора, идущего на создание предохранительной

среды;

- длина предохранительной среды;

S_в – сечение канала, выработки в которых создается среда.

Из уравнения (1) найдем длину предохранительной среды:

, м. (2)

С учетом того, что при расширении предохранительной среды происходит ее смешение с продуктами взрыва, разбавление и изменение концентрации флегматизатора, уравнение (2) принимает следующий вид:

, м, (3)

где - коэффициент, учитывающий разбавление флегматизатора от

начальной концентрации в предохранительной среде – С_б.с,

до взрывопредотвращающей концентрации С_п, которая

определяется эффективностью вещества флегматизатора

(С_п = С_ф).

Практический интерес вызывает изучение вопроса, связанного с экспериментальным определением минимальной длины безопасных забоек, состоящих из различных материалов, которые предотвращали воспламенение МВС [4] и имели существенное отличные теплофизических свойств относительно друг друга. Значения безопасной длины забойки из разных материалов, размещенной в канале мортиры впритык к заряду аммонита № 6ЖВ, полученные в опытном штреке МакНИИ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Безопасная длина забойки в канале мортиры

№ п	Характеристика забоечного материала				Масса заряда ВВ, кг	Безопасная длина за-бойки, , м
	Название материала	плотность забойки, , кг/м^3	Теплопоглащающая способность материала забойки
			, кДж/кг	относительно воздуха,
1	2	3	4	5	6	7
1	Огнетушащий порошок ПФ	700	1020	20,19	0,5	0,05
2	Сыпучая забойка ВМК-1	1050	2040	8566	0,6	0,05
3	Песчано-глиняная смесь ПГС	1810	965	4805	0,5	0,05
4	Пластичная забойка ПЗМ-3	1800	953	4682	0,6	0,05
5	Огнетушащий порошок ПСБ-3	1020	1420	4738	0,5	0,07
6	Алюмоаммонийные квасцы ААК	590	2480	8296	0,5	0,075
7	Вода	1000	2307	9811	0,6	0,11
8	Карбамид порошок	600	2270	5746	0,5	0,15
9	Флюорит	1180	634	1668	0,5	0,25
10	Забойка ВМК в п/э шланге Ø 50мм	1050	2040	8566	0,5	0,30
11	Песок	1620	643	2339	0,5	0,33
12	Пластичная забойка ПЗМ-3 в п/э ампуле Ø 37 мм	1800	953	4682	0,6	0,33

Учитывая, что забойка при этих условиях взрывания предотвращает воспламенение МВС, то можно предположить, что в канале мортиры и, у ее устья при взрыве создается предохранительная среда. Параметры этой предохранительной среды определяются длиной забоечного материала и массой заряда ВВ.

Оба этих параметра определяют время запирания продуктов взрыва забойкой, при котором обеспечивается безопасность взрывания заряда ПВВ в канале мортиры. Необходимо установить это время запирания продуктов взрыва ВВ материалом забойки в канале мортиры и исследовать его влияние на безопасность взрывания. В работе [5] получена расчетная формула для определения скорости выбрасывания забоечного материала – U_б.с из канала мортиры:

, м/с, (4)

где Р_Н – начальное давление продуктов взрыва заряда ВВ в зарядной

камере канала мортиры;

V_з – объем заряда ВВ;

V_к – объем канала мортиры;

- коэффициенты аэродинамического сопротивления, трения,

распора соответственно материала забойки или буферной

среды.

Для зарядов ВВ в канале мортиры плотность заряжания не превышает 1000 кг/м³, поэтому начальное давление в канале можно определить по уравнению следующего вида, предложенного Дж. Тейлором [6]:

, Па, (5)

где ;

;

Т – температура продуктов взрыва, ⁰К;

N – число молей газа продуктов взрыва на 0,1 кг ВВ;

в – второй вириальный коэффициент продуктов взрыва на 0,1 кг ВВ;

– объем конденсированных продуктов взрыва на 0,1 кг ВВ.

Таблица 2

Расчет времени запирания продуктов взрыва ВВ материалом забойки в канале мортиры

№ п	Забоечный материал	Плотность материала забойки в канале мортиры, , кг/м^3	Давление продуктов взрыва в канале мортиры, РН, Па		Безопасная длина забойки , м	, м	Uб.с, м/с	Время запира-ния, , мс
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	ВМК-1	404,9	6,396 ∙ 10^8	0,553	0,05	0,35	715,2	0,49
2	ПГС	488,1	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,05	0,35	624,2	0,53
3	ПЗМ-3	512,2	6,396 ∙ 10^8	0,553	0,05	0,35	635,9	0,55
4	ПСБ-3	421,2	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,07	0,33	644,0	0,51
5	ААК	339,08	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,075	0,33	709,1	0,47
6	Вода	568,8	6,396 ∙ 10^8	0,553	0,11	0,35	608,9	0,57
7	Карбамид	486,3	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,15	0,33	472,2	0,696
8	Флюорит	1107,0	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,25	0,33	231,0	1,43
9	Песок	1833,8	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,33	0,33	145,0	2,28
10	ВМК-1 п/э шл. Ø 50 мм	1081,2	5,14 ∙ 10^8	0,632	0,30	0,33	203,8	1,62
11	ПЗМ-3 п/э шл. Ø 37 мм	1068,8	6,396 ∙ 10^8	0,553	0,33	0,33	198,2	1,67
12	Воздух	53,33	6,396 ∙ 10^8	0,133	0,875	0,875	477,3	1,83

С помощью уравнений (4) и (5) для условий взрывания аммонита № 6ЖВ с забойкой, имеющей длину в канале мортиры, обеспечивающей безопасность взрывания в МВС, рассчитаны скорости выбрасывания забоечного материала. Используя значения безопасной длины забойки - и скорость выбрасывания материала U_б.с было определено время замирания продуктов взрыва ВВ забойкой по формуле:

, мс. (6)

Результаты расчетов по уравнениям (4), (5) и (6) представлены в табл. 2. По данным табл. 2 приведен корреляционный анализ, который позволяет установить ту или иную степень влияния на величину различных факторов, определяющих предохранительное действие забойки на заряд непредохранительного ВВ при взрывании его в канале мортиры в МВС. Результаты корреляционного анализа показали, какое влияние на величину оказывают, выбранные факторы, определяющие параметры предохранительной среды.

Анализ данных, полученных для предохранительной среды в виде забойки, расположенной в канале мортиры показал, что наиболее сильная связь между длиной, обеспечивающей безопасность взрывания заряда ВВ и временем запирания его продуктов взрыва в канале. Это указывает на то, что можно достаточно просто установить зависимость безопасной длины забойки в канале мортиры от параметров заряда ВВ. Предположим, что безопасная длина забойки в канале мортиры - функционально связана с массой забойки - , массой заряда ВВ в мортире – М_ВВ и временем запирания продуктов взрыва во взрывной камере:

. (7)

Вид функции (7) не известен, но может быть сравнительно легко установлен из эксперимента. Для этого необходимо выразить все интересующие нас неизвестные величины через время запирания - продуктов взрыва ВВ в канале забойкой. Учитывая данные корреляционного анализа легко установить зависимость между массой забойки и :

, |r| = 0,965, (8)

и зависимость между временем запирания и отношением массы забойки к массе заряда ВВ - :

, |r| = 0,963. (9)

Далее преобразуем уравнение (8) к виду:

,

из этого уравнения определяем :

. (10)

В уравнении (10) подставим уравнение (9) и после несложных преобразований получим:

, м. (11)

Полученное уравнение (11) позволяет расчетным путем определить длину забойки, при которой взрыв заряда непредохранительного ВВ (аммонита № 6ЖВ) не воспламеняет МВС. В табл. 3 приведены результаты экспериментов по определению безопасной длины забойки в канале мортиры для различных забоечных материалов и расчетные данные безопасной длины для этих забоек.

Таблица 3

Расчет безопасной длины забойки в канале мортиры для непредохранительного ВВ аммонита 6ЖВ

№ п/п	Тип забойки	Параметры забойки			Масса заряда, ВВ, МВВ, кг		Безопасная длина забойки в канале, , м
		диа- метр, d3, м	плот-ность, , кг/м^3	Масса забойки, mз, кг
							экспе-римент в МВС	расчет по уравнению (11)
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	ПФ	0,055	700	0,083	0,5	0,166	0,05	0,055
2	ВМК-1	0,055	1050	0,125	0,6	0,2083	0,05	0,046
3	ПГС	0,055	1810	0,215	0,5	0,43	0,05	0,054
4	ПЗМ-3	0,055	1810	0,214	0,6	0,3567	0,05	0,045
1	2	3	4	5	6	7	8	9
5	ПСБ-3	0,055	1020	0,170	0,5	0,340	0,070	0,076
6	ААК	0,055	590	0,105	0,5	0,21	0,075	0,082
7	Вода	0,055	1000	0,261	0,6	0,435	0,11	0,099
8	Карбамид	0,055	600	0,214	0,5	0,428	0,15	0,160
9	Флюорит	0,055	1180	0,701	0,5	1,402	0,25	0,26
10	ВМК-1	0,050	1050	0,618	0,5	1,236	0,30	0,31
11	Песок	0,055	1620	1,27	0,5	2,54	0,33	0,34
12	ПЗМ-3	0,037	1800	0,638	0,6	1,063	0,33	0,29

Приведенные в табл. 3 результаты показывают, что расчет безопасной длины забойки по уравнению (11) дает удовлетворительное согласие между экспериментальными и расчетными значениями. Ошибка в расчетах не превышает 10%, что находится в пределах точности измерений длин забойки в экспериментах. Это позволяет с достаточной степенью надежности установить влияние забойки на антигризутность ПВВ при взрывании зарядов ПВВ в канале мортиры, расположенной в МВС.

Далее были проанализированы данные определения безопасности взрывания в МВС зарядов из непредохранительных и ПВВ в канале мортиры, полученные в разное время в МакНИИ А.И.Селезневым и Н.Я.Удовиченко. Используя уравнение (11) для зарядов ВВ с глиняной или песчано-глиняной забойкой, расположенной в канале мортиры, рассчитаем величину предельного заряда, который не давал воспламенений в МВС в этих условиях взрывания.

Для этого массу заряда ВВ выразим через его энергию взрыва и удельную теплоту взрыва Q_BB (относительно аммонита № 6ЖВ), а массу забойки через ее диаметр – d_з и плотность – , тогда уравнение (11) будет иметь вид:

,

если примем кДж/кг, то получим:

. (12)

Условия для предельного заряда ВВ, когда он не воспламеняет МВС, будут обеспечиваться только в том случае, если равно безопасной длине , то есть при взрыве заряда при такой длине забойки не будет воспламенения.

Эти условия будут выполняться, если

, то

уравнение (11) преобразуется к виду, позволяющему определить величину предельного заряда ВВ - М_ВВ:

, кг, (13)

где - относительная доля пламегасителя, ингибитора в составе ПВВ, кг/кг.

Поскольку уравнение (13) позволяет установить предельный заряд для любого ВВ при условии, если известны его удельная теплота взрыва и содержание в продуктах детонации конденсированной фазы (ингибитора), то аналитический расчет будет справедлив, как для ПВВ, так и непредохранительных ВВ с забойкой. Для проверки сделанных предположений были использованы данные уже упомянутых работ А.И. Селезнева и Н.Я. Удовиченко. Величину расчетного предельного заряда по уравнению (13) сравнили с экспериментальными данными опытов определения предельных зарядов ВВ в МВС. Результаты этих исследований приведены в табл. 4.

Таблица 4

Антигризутность зарядов ПВВ в канале мортиры с забойкой

№ п	ВВ	Теплота взрыва, QВВ, кДж/кг	Содержание ингибитора, , кг/кг	Расчетный предельный заряд с забойкой по уравнению (13)	Экспериментальные данные
					предельный заряд с забойкой, МВВ, кг	безопасная длина забойки, , м
1	2	3	4	5	6	7
1	62% динамит	5119,1	0,108	0,482	0,440-0,480	0,23
2	29% гризутин	2769,0	0,0	0,847	0,4-0,42	< 0,12
3	Аммонит 2	3034,7	0,0	0,773	0,4	< 0,12
4	Аммонит 6ЖВ	4310,0	0,0	0,554	0,5	0,05
1	2	3	4	5	6	7
5	Аммонит АП-5ЖВ	3795,0	0,12	0,659	0,6	0,01
6	Аммонит ПЖВ-20	3414,0	0,2	0,768	0,75	0,01
7	Угленит 13П	2836,0	0,3	0,989	1,0-1,1	без забойки

Результаты, приведенные в табл. 4, наглядно показывают, что для непредохранительных ВВ и ПВВ с низким уровнем предохранительных свойств, расчетная величина предельного заряда при безопасной длине забойки в канале мортиры, достаточно хорошо соглашается с полученной в эксперименте. Однако согласие расчетных и экспериментальных данных не наблюдается при их сравнении для зарядов угленита 13П. Угленит 13П в отличие от остальных ВВ, которые приведены в табл. 4, относится к ПВВ с повышенным уровнем предохранительных свойств при взрывании зарядов в МВС. В этих условиях взрывания высокий предельный заряд у угленита 13П достигается без применения какой-либо забойки, и его расчетная величина неплохо согласуется с экспериментом при взрывании в канале мортиры без забойки. Это позволяет сделать вывод о том, что наличие «забоечного материала» обеспечено рецептурой состава угленита, и его специально не нужно помещать в канал мортиры за зарядом ВВ при взрывании. Полученный результат для подобного типа ПВВ создает новое представление об их безопасности, заключающиеся в том, что для современных высокопредохранительных ВВ не стоит рассматривать внутреннюю забойку шпуров, как средство повышения антигризутности их зарядов при взрывных работах. Уровень предохранительных свойств этих ПВВ настолько высок, что позволяет обеспечить антигризутность их шпуровым зарядам без специальной забойки шпуров. В этом случае нужно обращать внимание на забойку шпуров как на средство повышения эффективности взрывания. Относительно ПВВ с низким уровнем предохранительных свойств повышение антигризутности их шпуровых зарядов может быть существенным за счет качественной внутренней забойки шпуров и это необходимо учитывать при взрывных работах в шахтах.

Выводы

1. Установлено, что безопасная длина забойки определяется временем запирания продуктов взрыва ВВ в зарядной камере забоечным материалом, расположенным за зарядом у устья шпура.

2. Предельный заряд ВВ, который не воспламеняет взрывоопасную среду, при взрыве зависит от длины забойки шпура и содержания ингибитора в составе ПВВ.

3. На предохранительные свойства ПВВ V-VII классов при их взрывании в МВС внутренняя забойка шпуров не оказывает сильного влияния и существенно не увеличивает их антигризутность при взрывных работах в шахтах, опасных по газу и пыли. Применение забойки для этих ПВВ связано с повышением действия взрыва на горные породы и их работоспособности.

Литература

1. Селезнев А.И., Галаджий Ф.М. Внутренняя забойка шпуров при взрывных работах. – М.: Углетехиздат, 1955. – 25 с.

2. Миндели Э.О., Демчук П.А., Александров В.Е. Забойка шпуров. – М.: Недра, 1967. – 150 с.

3. Предупреждение и локализация взрывов в подземных условиях / А.Е. Умнов, А.С. Голик, Д.Ю. Палеев, Н.Р. Шевцов. – М.: Недра, 1990. – 286 с.

4. Шевцов Н.Р. Экспериментальный метод определения удельного теплопоглащения // Уровень динамики и причины производственного травматизма на угольных шахтах при проведении взрывных работ: Сб. науч. тр. МакНИИ. – Макеевка-Донбасс: Изд. МакНИИ, 1983. – С. 9-13.

5. Калякин С.А., Шевцов Н.Р. Взаимодействие продуктов детонации ВВ с забоечным материалом при камуфлетном взрывании // Способы и технические средства обеспечения безопасных и здоровых условий труда на угольных шахтах: Сб. науч. тр. МакНИИ. – Макеевка-Донбасс: Изд. МакНИИ, 1988. – С. 47-53.

6. Тейлор Дж. Детонация конденсированных взрывчатых веществ: Пер. с англ. – Оксфорд, 1952. – 260 с.