CC BY
219
УДК 622.235:622.268 К.М. Мурин
ЗАБОЙКА КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ
Приведён обзор литературных источников, отражающий эффективность и необходимость применения забойки шпуров и скважин, а также приведена рецептура нового забоечного материала на основе ингибиторов подавления взрывов метанопылевоздуш-ных смесей для угольных шахт опасных по газу и пыли.
Ключевые слова: забойка шпуров и скважин, энергия взрыва, горный массив.
Основную массу горных выработок на угольных и рудных шахтах в настоящее время проходят буровзрывным способом, поэтому вопросы повышения эффективности взрывных работ приобретают первостепенное значение. Особое внимание должно быть уделено повышению эффективности взрыва при ведении взрывных работ методом шпуровых зарядов, который в сущности является единственным в практике горнопроходческих работ.
Одним из факторов, определяющим условия и эффективность взрыва шпуровых зарядов ВВ, является внутренняя забойка шпуров. Ее величина и качество в значительной степени определяют коэффициент использования шпуров (КИШ), равномерность дробления массива, а также количество поступающих в рудничную атмосферу при взрыве пыли и ядовитых газов.
Все исследования вопросов взрывного дела как аналитические, так и экспериментальные должны базироваться на физике разрушения горного массива энергией взрыва. Без глубокого понимания и учета особенностей процессов, происходящих в разрушаемой с помощью ВВ среде, невозможно правильное проектирование работ и , следовательно,
получение должного эффекта от их проведения. Поэтому роль забойки в процессе взрывного разрушения горных пород следует рассматривать в тесной взаимосвязи с самим механизмом взрыва и в первую очередь с воздействием на разрушаемый массив статического давления продуктов детонации и ударной волны.
Современные представления о распределении энергии взрыва разнообразны и противоречивы. Одни исследователи полагают, что основным фактором, определяющим эффективность взрыва, является поршневое давление продуктов детонации (расширение продуктов детонации можно представить как действие сферического, расширяющегося пор-шня), другие считают, что разрушение массива при взрыве происходит главным образом за счет действия прямой и отраженной ударных волн.
Г.П. Демидюк в работе [1] отмечает, что при наличии забойки продукты взрыва могут быстро вырваться в атмосферу и, раздвигая материал стенок зарядной полости, спрессовывая его, сами многократно отражаются от этих стенок, в результате давление распространяется во все стороны. Так начинается процесс разрушения среды, окружающей заряд
ВВ; продолжительности этого процесса во много раз превышает время детонации заряда.
И.В. Карасик полагает, что для достижения высокой эффективности забойки материал последней должен обладать максимально возможной адгезионной прочностью. Идеально с этой точки зрения была бы внутренняя забойка, материал которой имеет адгезионную прочность, равную прочности породы в ненарушенном массиве. При этом он утверждает, что инерция покоя массы забойки практически ощутимого влияния на качество взрыва оказать не может, поскольку «... так называемая инерция покоя массы забойки - сопротивление ее динамической нагрузке, всего в два раза больше сопротивления забойки статической нагрузке» [2].
В работе [3]отмечается, что учитывать только массу забойки и вовсе не учитывать сил трения и внутреннего сцепления материала неправильно. Известно, что чрезмерное увлажнение пес-чано- глинистой забойки приводит к резкому ухудшению взрыва, хотя масса забойки при этом не уменьшается.
В.Е. Александров, Н.Р. Шевцов, Б.И. Ванштейн в работе [4] механизм взаимодействия забойки с продуктами детонации представляют следующим образом: «.с момента начала детонации заряда ВВ газообразные продукты детонации, воздействую на торец забойки, стремятся сдвинуть ее. Сопротивление выталкивающему действию продуктов детонации оказывают: инерция покоя, масса забойки, силы внутреннего трения и сцепления частиц забоечного материала. Но сразу же после уплотнения последнего происходит сдвиг забойки и ее перемещению препятствуют только масса и силы внутреннего трения. Влияние сил внутреннего сцепления между частицами забоечного материала в об-
щем сопротивлении, оказываемом забойкой продуктами детонации, по сравнению с силами трения и инерцией покоя массы забойки, ничтожно мало. На долю сил трения приходится более 90% общего сопротивления, оказываемого забойкой продуктами детонации».
Значительный интерес представляют экспериментальные исследования процесса взрывного разрушения пород, выполненные И. Кота[5]. С помощью скоростной киносъемки он установил, что при взрыве время начала отрыва и сдвижения пород после инициирования зарядов в 30-40 раз превышает время прохождения прямой и отраженных ударных волн. Основываясь на своих исследованиях И. Кота рассматривает значение забойки с точки зрения разрушения массива вспучивающим действием взрыва, при котором высокое давление продуктов детонации в шпурах и в естественной сети трещин должно поддерживаться в течение сравнительно большого промежутка времени
Г. Йонсон и В. Хофмайстер [6], исследуя влияние забойки на результаты взрыва зарядов в шпурах диаметром 36 мм, в качестве критерия оценки эффективности взрыва приняли предельную линию наименьшего сопротивления (л.н.с.), т.е. такую, при которой взрыв заряда еще производит отбойку породы. Опытные взрывания, проводимые в чистой однопородной каменной соли на шахте «Мариаглюк» (Германия) , показали, что предельная л.н.с. при использовании забойки выше, чем в случае взрывания зарядов без забойки.
Аналогичного мнения придерживается и В.Н. Родионов, утверждающий, что если грунт имеет достаточное количество естественных трещин или их зародышей, ударная волна фактически не принимает участия в дроблении материала,. Правда , там же В.Н. Родионов за-
мечает, что в том случае, если имеется прочная однородная среда, роль ударной волны возрастает, так как необходимо создать около заряда зародыши трещин для обеспечения равномерного дроблениях [7].
Несомненно, в шпуровых и скважинных зарядах, степень замкнутости которых несравненно выше, чем у наружных, забойка будет оказывать меньшее влияние на полноту детонации, но все же, особенно при прямом инициировании, она будет предотвращать потери энергии, необходимой для самоподдер-жания процесса детонации [1].
Забойка увеличивает эффективную длину ударной волны и начальное давление газов взрыва. В соответствии с теорией разрушения пород отраженной волной л.н.с., преодолеваемая взрывом заряда ВВ, пропорциональная эффективность длине волны. По Кумао Хино [8], забойка должна обеспечить сохранение высокого давления в зарядной полости в течение промежутка времени, достаточного для завершения отколооб-разования во всей области от свободной поверхности до зарядной полости. Следуя мнению А.Н. Ханукаева [9] о повышении доли разрушения породного массива ударной волной с увеличением акустической жесткости породы, можно полагать, что роль забойки по мере увеличения плотности и крепости порода должна возрастать.
Забойка увеличивает длительность поршневого воздействия продуктов детонации на стенки зарядной полости и первичных трещин, образовавшихся на границе с зарядной полостью в процессе возникновения и прохождения ударной волны взрыва. Согласно исследованиям А.Ф. Беляева и М.А. Садовского [10], при одинаковой величине импульса взрыва объем общих форм работы взрыва тем больше, чем больше длитель-
ность импульса, т.е. чем дольше воздействует давление газов взрыва на стенки зарядной полости. Эффективность применения ВВ типа игданита непосредственно связана с увеличенной шириной зоны химической реакции у таких ВВ, следствием которой является сниженное начальное давление, но более медленный спад давления; роль забойки для таких ВВ особенно значительна.
А.Н. Ханукаев в работе [11] отмечает, что забойка обеспечивает более длительное и более интенсивное воздействие газов на стенки зарядной камеры. Это в свою очередь приводит к образованию волны, обладающей значительно большей длиной, значительно большими напряжениями и запасом энергии. Таким образом, в случае применения забойки, напряжения на фронте волны больше, это обусловлено более интенсивным воздействием газов на стенки зарядной камеры благодаря сопротивлению, оказываемому забойкой выходу газов из скважины.
Качественно выполненная забойка, является одним из средств, снижающих вероятность аварии при взрывных работах в угольных шахтах, опасных по взрыву газа и пыли.
Анализ результатов выполненных исследований [12] показал, что наиболее эффективными забоечными материалами по нейтрализации продуктов детонации ВВ являются вещества с высокими теплофизическими свойствами и в первую очередь водосодержащие составы и огнетушащие порошки.
С целью определения условий флег-матизирующего действия забойки была проведена специальная работа [13]. С помощью скоростной киносъемки определялись геометрические размеры предохранительного облака, имеющего существенное значение для оценки забойки или средства флегматизации
шахтной атмосферы, т.е. создания предохранительной среды. Ими было установлено, что основным фактором определяющим диаметр облака является величина вышибного заряда ВВ и практически не влияет на это сам вид забойки. Длина облака из огнетушащих порошков экстремально зависит от массы забойки.
Многолетними исследованиями установлено, что при тех высоких скоростях с которыми протекает явление взрыва, забойка оказывает значительное сопротивление и удерживает продукты детонации ВВ внутри скважины на время, достаточное для совершения полезной работы по разрушению горной породы, этим самым обеспечивая относительную безопасность в части возможности воспламенения метано-пылевоздушных смесей. Проведение большого числа опытов позволило установить, что если внутренняя забойка не обеспечивает задержки продуктов детонации внутри газовой камеры на врем, превышающее 3 мс., она уже не предотвращает воспламенение метана или угольной пыли продуктами [14]. В целом же, время выбрасывания забойки может быть однозначным критерием только для вполне конкретного ее вида. Поскольку забойка препятствует расширению газов взрыва, увеличивает время нахождения их в замкнутой полости, остаточная энергия продуктов детонации и их температура при прорыве газов в призабойное пространство существенно снижаются и соответственно уменьшается возможность воспламенения смесей метана и угольной пыли с воздухом.
Отсутствие забойки, особенно при заполнении шпуров и скважин ВВ на всю их глубину до устья, сопровождается выносом пылеватых частиц из зоны раздавливания и кусков породы из устья
зарядной полости. При неудовлетворительном взрыве комплекта шпуровых зарядов неиспользованная энергия взрыва вздымает большое количество пыли, забойка же уменьшает запыленность подземных выработок, причем запыленность уменьшается повышением качества забойки. При песчаной забойке ее сопротивляемость увеличивается с понижением влажности, как следствие, количество пыли уменьшается [1]. Пневматическое введение забойки из неочищенной соли на руднике им. Готвальда в ЧССР снизило запыленность на 52,2% [15].
Обеспечение забойкой завершения вторичных реакций уменьшает количество ядовитых газов в продуктах детонации. По данным венгерского ученого
И. Коты, в угольном забое сечением 10
2
м в результате повышения качества забойки путем замены глины мелким щебнем, при прочих равных условиях, содержание окислов азота в призабойном пространстве снизилось в 8, а окиси углерода - в 13,8 раза.
На руднике им. Готвальда в Чехии переход на пневматическое вдувание в шпур на длину 30-40 см забойки из неочищенной каменной соли помимо повышения эффективности отбойки снизил на 52,8% содержание окиси углерода и на 23,7% - окислов азота [15].
Многочисленными исследованиями, подтверждёнными многолетней практикой, установлено, что тщательно выполненная забойка является одним из средств, снижающих вероятность аварий при взрывных работах в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.
Забойка под поршневым действием газообразных продуктов взрыва вылетает из шпура в виде облака, состоящего из шпура в виде облака, состоящего из раздробленных мелких частиц и охладившихся до безопасной температуры
НаИйеинвннианиеказикнеаяеля Мас :ова}щмщ%Ь
1. Ы5а^рора^1Ц(^я,^брнртыднкилка]из!а1нашнЕрив[кЕрити1и1д)а:п1амита 85-85-90
2. Млшсклжрршьхлористого калия 20-20-25
3. Войулвфамолсы ¡З£-2Кересчёте на 100% алкилбензосульфонатов 0,2-0,2-20
натрщжщяьфяпал нащяявяйе водного экстракта, Дж/м2 0,075
4. Моншияаиол'об^илъ синтетических жирных кислот фракции С10-С16 0 2 £ $ 0
6. АикI^етрдaфвшь^ жирных спиртов в пересчёте на 100% ПВА 0,05-036
продуктов взрыва. Смешиваясь с рудничной атмосферой, такое облако способно предотвратить распространения реакции воспламенения взрывоопасной смеси.
С целью определения флегматизи-рующего действия забойка в работе проведён комплекс аналитических и лабораторных исследований с промышленными испытаниями забоечных материалов на основе применения ингибиторов реакции окисления метана.
Ингибиторы должны обладать, кроме основного своего свойства подавлять горение, ещё и дополнительными качествами, обеспечивающими безвредное применение и технологичность их использования.
Отрицательные катализаторы или ингибиторы или ингибиторы разрушают (рекомбинируют) или связывают активные центры, чем способствуют обрыву цепей процесса окисления метана.
Перешедшие в газовую фазу молекулы порошкового ингибитора, в случае испарения, или их «осколки», в случае разложения, вступая в реакции с активными центрами Н, О, ОН, СН3 и др., могут замедлять цепной процесс распространения горения в газовой смеси.
На основании проведённого анализа определенно, что все эффективные ингибиторы имеют одно или несколько общих свойств:
- они обычно являются солями щелочных металлов или аммония;
- наиболее эффективными анионами являются анионы двух типов- это галоиды и бикарбонаты, которые после разложения дают карбонаты;
- химическая связь является ионной;
- это соли, имеющие низкую точку плавления или низкую температуру разложения;
- они легко разлагаются в пламени, давая новые частицы;
Проанализировав вышеизложенные данные, нами разработан забоечный материал ПЗС-2К. Забойка представляет собой пластичный материал, изготовленный на основе порошкового взрывоподавляющего состава ЗС-2К и воды в полиэтиленовых ампулах. Ниже приведена рецептура ЗС-2К (табл. 2).
Забойка ПЗС-2К должна соответствовать требованиям, приведённым в (табл. 2).
Испытания забоечного материала ПЗС-2К проводились в производственных условиях шахтуправлений АО «Се-верокузбассуголь»-«Физкультурник» и «Сибирское»,а также на шахтах Ростовской области: «Донецкая», «Центральная» и в шахтуправлении «Западное». На основе проведённых испытаний данный состав допущен к применению в угольных шахтах России. В настоящее время проходят испытания данного состава на Североуральском бокситовом руднике с целью определения оценки эффективности взрыва и снижения пы-леобразования и выбросов вредных и ядовитых газов.
1. Демидюк Г.П. О повышении степени полезного использования энегрии взрыва. - В кн. Взрывное дело, №60/17. - Н., Недра, 1966, с.237.
2. Карасик И.Б. Эффект забойки при взрыве заряда ВВ. Горный журнал, 1947, №10.
3. Ассонов В.А, Демчук П.А., Кузнецов Д.С. Определение оптимальной длины песчаноглинистой забойки шпуров. - В кн. Взрывное дело, №55/12. - М., Недра, 1964.
4. Александров В.Е., Шевцов Н.Р., Ванштейн Б.И. Безопасность взрывных работ в угольных шахтах. - М., Недра, 1986, с.45-117.
5. Демидюк Г.П. Современные теоретические представления о действии взрыва в среде. Труды IV научно-технического совещания по буровзрывным работам. - М., Госгортехнадзор, 1962.
6. Ионсон Г.,Хофмайстер В. Влияние забойки на результаты взрыва зарядов в шпурах диаметром 36 мм.Сборник докла-дов,прочитанных на научном VI симпозиуме в феврале 1961 г. в г.Ролла (США) по бурению, взрывчатым веществам, взрывным работам и исследованию физико-механических свойств горных пород. Госгортехиздат, 1962.
7. Родионов В.Н., Сизов И.А. Цветокв В.М. Образование полости и излучение волны сжатия при сдвиговом разрушении среды. - В кн.
Взрывное дело, №76//33. - М., Недра, 1976, с.40.
8. Фадеев А.Б. Расчет скважинных зарядов с позиции волновой теории взрыва. - В кн. Взрывное дело №55/12. - М., Недра, 1964.
9. Ханукаев А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении пород взрывом - Госгортехиз-дат, 1962, с.47-104.
10. Беляев А.Ф., Садовский М.А. О природе фугасного и бризантного действия взрыва. - В кн. Физика взрыва №1. - М., АН СССР, 1952.
11. Ханукаев А.Н. Экспериментальные исследования параметров волн напряжений в твердых горных породах. Фонд ЛГИ. Отчет по НИСу, 1960.
12. Шевцов Н.Р. Условия эффективного подавления взрыва метано-воздушной смеси в шахте. - Безопасность труда в промышленности. 1978. №5, с.28-29.
13. Шевцов Н.Р. Определяющий критерий взрыво-подавляющей эффективности пламегасителей. - В кн. Взрывное дело, №84/41. - М., Недра, 1982, с.127-134.
14. Кукиб Б.Н. О механизме воспламенения метано-воздушных смесей детонирующими зарядами детонирующих веществ. - В кн. Взрывное дело №75/32. - М., Недра, 1975, с. 177-180.
15. Опыт применения соляной забойки при взрывных работах на руднике им. Готвальда. -Цветная металлургия, 1964, №14. шгд=1
— Коротко об авторе ---------------------------------------------
Мурин К.М. - аспирант ФГУП «ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского», E-mail: [email protected]
