книги из ГПНТБ / Миндели, Э. О. Разрушение горных пород учебное пособие

Поскольку основным направлением в работе по снижению ви­ брации является исключение причин ее вызывающих, на буровых станках проводится динамическая балансировка бурового става, что позволяет уменьшить амплитуду поперечных колебаний, вызы­ вающих вибрацию станка в горизонтальном и вертикальном на­ правлениях, снизить динамическую нагрузку за счет применения шарошечных долот рациональной конструкции, использовать малопнерционный привод вращателя и установку надзабойного аморти­ затора. При этом необходимо дополнительно применять пассивные средства виброзащиты — изолировать с помощью упругих элементов кабину и сиденье машиниста, шкафы с электро- и гидроаппаратурой, рабочие площадки в машинном отделении; покрыть пол мягким резиновым ковриком, а также использовать средства индивидуальной: защиты.

Весьма действенным средством защиты корпуса машины от ви­ браций является установка амортизатора-фильтра между ставом штанг и корпусом. Разработанные методы позволили создать ряд. опытных и промышленных образцов машин со сниженной вибрацией, п с существенно большей надежностью и работоспособностью.

§35. Краткие сведения по эксплуатации и технике безопасности при работе с буровыми машинами

Безаварийная раоота и длительный срок службы средств бурения шпуров и скважин зависят от соблюдения правильного режима работы бурильных машин и буровых станков. Большое значениетакже имеет своевременное проведение профилактического осмотра,. регулировки и ремонта отдельных узлов и деталей бурильных машин.

Приступая к обслуживанию бурильных машин, необходимоосмотреть место работы и убедиться в безопасности его со­

стояния.

П р и р а б о т е п н е в м а т и ч е с к и м и и б у р и л ь н ы м и м а ш и н а м и проверяется исправность воздушного и водяного трубопроводов. Смазку трущихся деталей и узлов осуществляют заливкой масла в специальные кольцевые камеры или подачей его пз подвесных автоматических масленок.

Основной ремонт с полной разборкой и промывкой деталей про­ изводится 1 раз в неделю, текущий ремонт — 1 раз в месяц. Капи­ тальный ремонт производят по агрегатному методу — 1 раз в 1,5— 3 месяца. Средний срок службы бурильных машин — около 6 ме­

сяцев.

П р и с т у п а я к р а б о т е э л е к т р о в р а щ а т е л ь - н ы м и б у р и л ь н ы м и м а ш и н а м и , проверяют исправностьпусковой аппаратуры, подводящих кабелей, установочных приспо­ соблений и заземления.

Неправильное присоединение кабеля может привести к несчаст­ ному случаю.

121

составы и использовать взрыв в своих целях. Однако для формиро­ вания правильного представления о сущности явления, именуемого взрывом, потребовались значительные успехи в развитии естествен­ ных наук.

Характерным признаком взрыва является крайне быстрое появле­ ние или, точнее, проявление действия давления, как правило очень большого.

В зависимости от характера процесса, в результате которого выделяется энергия взрыва, принято различать физический и хими­ ческий взрыв.

При физическом взрыве энергия выделяется в результате физи­ ческого процесса. Взрыв, происходящий при ударе метеорита о землю, взрыв баллона со сжатым газом, взрыв парового котла, землетря­ сения — примеры физических взрывов. Физический взрыв находит применение в угледобывающей промышленности в виде патронов аэрдокс, в которых для разрушения среды используют энергию сжа­ того воздуха.

При химическом взрыве энергия выделяется в результате быстрой химической реакции. До открытия способов получения ядерной энергии этот тип взрыва имел преобладающее значение как в военном деле, так и в промышленности и сохранил это значение и до настоя­ щего времени. Этому типу взрыва можно дать следующее определе­ ние: взрывом называется быстрое химическое превращение взрывча­ того вещества, протекающее с выделением тепла и образованием газов.

Из этого определения вытекают четыре основных условия, кото­ рым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва: экзотермичность (выделение тепла), образование газов, большая скорость реакции, способность к самораспространеншо. Если хотя бы одно пз этих условий не вы­ полняется — взрыва не произойдет. Например, при хорошо извест­ ной реакции горения железо-алюминиевого термитного состава выделяется большое количество тепла. Реакция проходит быстро, но взрыва не наблюдается вследствие того, что при этой реакции не образуется газообразных продуктов. Другим примером может служить сгорание угля в топках. При этом процессе выделяется большое количество тепловой энергии, образуется много газов, но взрыва не наблюдается, так как скорость горения мала.

Однако если повысить скорость горения за счет увеличения по­ верхности горения (для этого уголь нужно превратить в пыль и взве­ сить эту пыль в воздухе), то можно получить взрыв пылевоздушной смеси.

Химическое превращение взрывчатых веществ и смесей может протекать в различных формах, основными из которых являются: медленное химическое превращение (разложение вещества), горение и детонация.

При медленном химическом превращении реакция разложения протекает одновременно во всем объеме вещества, находящимся

127

при одинаковой температуре, практически равной температуре окру­ жающей среды. Скорость реакции соответствует этой температуре и во всех точках масса ВВ одинакова. При нагревании ВВ его темпе­ ратура возрастает не только за счет внешнего нагрева, но и за счет тепла, выделяющегося при химической реакции разложения. При определенных условиях эта реакция может стать самоускоряющейся,

мо р а с п р о с т р а н я ю щ е г о с я в з р ы в ч а т о г о п р е ­ в р а щ е н и я . При этой форме взрыва химическое превраще­ ние, начавшееся в какой-либо точке заряда, самопроизвольно рас­ пространяется до его границ. Способность химической реакции к самораспространению является характерной особенностью этой формы взрыва.

Самораспространяющееся взрывчатое превращение возможно при горенпп и детонации ВВ. В обоих случаях имеется фронт химиче­ ского превращения — относительно узкая зона, в которой происхо­ дит пнтенспвная химическая реакция, распространяющаяся по веще­ ству с некоторой скоростью. Впереди этой золы находится псходное

ВВ, позадп нее — продукты превращения (рис. 48).

Температуры впереди фронта, позади пего н в самой зоне химиче­

ской реакции существенно различаются; имеет место также неравен­ ство давлений и плотности.

Скорость реакции, точнее, линейная скорость перемещения фронта процесса зависит в основном не от начальной температуры вещества, а от количества выделяющейся при реакции энергии, условий пере­ дачи ее непрореагировавшему веществу и кинетических характери­ стик возникающего в нем при этой передаче химического превраще­ ния. Так как механизм передачи энергии при горении и детонации различен (при горении тепловая энергия передается за счет тепло­ проводности, при детонации основную роль играет ударная волна), скорость распространения процесса также различается и при горе­ нии не превышает для конденсированных ВВ нескольких сантимет­ ров в секунду, а при детонации составляет километры в секунду.

128

В соответствии с различием в скорости распространения процесса разрушающее действие при разных формах превращения ВВ суще­ ственно отличается.

Медленное превращение только в замкнутом объеме может при­ вести к повышению давления вплоть до разрыва оболочки. Горение также способно значительно повысить давление лишь в замкнутом или полузамкнутом объеме. Соответственно этот процесс исполь­ зуют в тех случаях, где слишком большое давление нежелательно (ракетные камеры, огнестрельное оружие и т. п.).

Детонация дает максимальное давление, практически не завися­ щее от наличия оболочки. Этот вид взрывчатого превращения при­ меняется тогда, когда надо получить максимальное разрушающее действие. Именно процесс детонации зарядов ВВ широко исполь­ зуется для разрушения горных пород. Взрывчатые вещества, которые используют при этом, представляют собой либо индивидуальные химические вещества, либо механическую смесь нескольких веществ, которые при определенных условиях способны давать самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, про­ текающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.

Г л а в а X

ТЕОРИЯ И СВОЙСТВА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

§ 39. Реакции взрывчатого превращения. Состав н объем продуктов взрыва

Энергия взрыва ВВ высвобождается в результате химических реакций, основным типом которых является реакция окисления. Для протекания этой реакции необходимы окислитель и горючее. В смесевых ВВ окислителем является химическое соединение, кото­ рое при нагревании способно разлагаться с выделением окисляющих агентов (кислорода, окислов азота и т. и.). Наиболее распространен­ ным в настоящее время окислителем является нитрат аммония (NH4N 03), широко известный под названием аммиачная селитра. В качестве горючего можно использовать уголь, древесную муку или органические соединения, содержащие, как правило, много углерода н водорода.

Индивидуальные ВВ, например, тротил, содержат в составе своих молекул и окисляющие группы (нитрогруппы), и горючее (углерод и водород). Под воздействием высокой температуры (на­ пример, при действии ударной волны) молекулы тротила распадаются и окислительные группы вступают в быструю реакцию с горючим. Как указывалось ранее, эта реакция протекает с выделением боль­ шого количества тепла и образованием газов.

Весьма важной характеристикой ВВ является кислородный ба­ ланс, представляющий отношение избытка или недостатка кислорода в составе ВВ к количеству его, необходимому для полного окисления торючих компонентов, выраженное в процентах. Кислородный ба­ ланс взрывчатой смеси легко рассчитать, если известен кислородный баланс каждого компонента смеси. Значения кислородного баланса обычных компонентов взрывчатых смесей приведены в табл. 30.

Элементарный состав ВВ представлен, как правило, углеродом, водородом, кислородом и азотом. Соответственно, продукты взрыва могут состоять из следующих газов: С 02, СО; Н 20; Н 2; 0 2; СН4; NH3; NO; N 0 2. Кроме того, в продуктах взрыва могут находиться п твердые вещества, углерод, окислы металлов, их соли и т. и.

При определении состава продуктов взрыва расчетным путем ВВ делят на три группы. К первой группе относятся ВВ с нулевым кис­ лородным балансом, ко второй — ВВ с положительным кислородным балансом, выделяющие при взрыве только газообразные продукты, и к третьей — ВВ с отрицательным кислородным балансом, в про­ дуктах взрыва которых содержится углерод (сажа).

Вычисляют кислородный баланс как разность между количеством кислорода, содержащимся во ВВ, и количеством кислорода, необхо­ димым для полного окисления горючих элементов входящих в его состав. Расчет ведут на 100 г ВВ и поэтому кислородный баланс выражают в процентах. В том случае, если во ВВ имеется избыточ­ ный кислород, кислородный баланс считается положительным. Если кислорода недостаточно для полного окисления горючих эле­ ментов, содержащихся во ВВ, то кислородный баланс вещества считается отрицательным. Если же ВВ содержит как раз столько кислорода, сколько нужно для полного окисления горючих, то кисло­ родный баланс его равен нулю, при этом выделяется максимальное количество энергии и минимальный объем ядовитых газов.

В качестве примера рассчитаем кислородный баланс аммиачной селитры — основного компонента современных промышленных ВВ. Напишем уравнение взрывчатого превращения аммиачной селитры

NH4NOs 2НаО -j- N, -}- 0,5О2.

В граммолекуле аммиачной селитры (80 г) содержится 48 г кисло­ рода. На окисление горючих элементов, входящих в состав молекулы аммиачной селитры (водород), потребуется 32 г кислорода. Следова­ тельно, аммиачная селитра имеет положительный кислородный ■баланс, равный

КБ = (48~ 32^- 100 = + 20% . oU

ВВ^первой группы. Составление реакций взрывчатого превра­ щения для ВВ первой группы является довольно простой задачей. Из всех возможных в этом случае направлений химической реакции ■наиболее вероятным являются те, при которых выделяется макси­ мальное количество тепла. Именно поэтому углерод окисляется до

•130

двуокиси углерода (а не до окиси), водород сгорает, образуя воду; алюминий превращается в окись алюминия, а азот выделяется в эле­ ментарном виде, так как реакции окисления азота идут с поглоще­ нием тепла. Таким образом, если ВВ имеет нулевой кислородный баланс, то в продуктах взрыва его не должно быть ни окиси угле­ рода, ни свободного кислорода. Когда же ВВ имеет положительный кислородный баланс, продукты взрыва содержат свободный кислород.

В качестве примера составим уравнение взрывчатого превращения типичного промышленного ВВ — аммонита № 6 ЖВ, состоящего из 79% аммиачной селитры и 21% тротила. Расчет будем вести на 1 кг ВВ. Коэффициенты в левой части уравнения получим делением весового содержания данного компонента в 1 кг ВВ на его молеку­ лярный вес. Тогда левая часть уравнения (исходное ВВ) будет иметь вид:

Аммонит № 6 ЖВ имеет кислородный баланс, близкий к нулю, по­ этому, в соответствии с вышеизложенным, в состав продуктов взрыва его будут входить вода, двуокись углерода и азот. Записав таким образом состав продуктов взрыва и, уравняв содержание элементов в правой и левой частях, получим уравнение взрывчатого превраще­ ния аммонита № 6 ЖВ.

9,88NH4NO3 + 0,925C7H5OeN3 -> 6,48СО,+

Однако в продуктах взрыва ВВ, особенно смесевых, могут содер­ жаться и продукты неполного окисления (окись углерода и др.)

и поэтому экспериментально определенный состав газов будет не­ сколько отличаться от расчетного.

ВВ второй группы. Уравнение взрывчатого превращения для ВВ, полностью превращающихся в газы, может быть написано следующим образом:

CcH/(0 0N„ = хСО + уСО, +■ zH2 + i/H20 + 1 N2.

Соотношение между количеством окиси углерода х, двуокиси углерода у, водорода z и воды и определяется р а в н о в е с и е м р е а к ц и и в о д я н о г о г а з а

С0 + Н20 СО2 + Н2 + 9850 кал.

Поскольку эта реакция проходит без изменения объема реагиру­ ющих газов, это равновесие не зависит от давления или от плот­ ности ВВ. Кроме того, вследствие малого теплового эффекта реакции константа равновесия относительно медленно растет с повышением температуры.

Константы равновесия реакции водяного газа К р в зависимости от температуры имеют следующие значения:

Приравнивая числа атомов отдельных элементов в правой и левой частях уравнения, получаем систему трех уравнений с четырьмя неизвестными:

х = с— у;

и = о— (с — у) — 2у = о — с — у;

h h . i

z = -g — и = у — О + y + С.

В качестве четвертого уравнения возьмем выражение для кон­ станты равновесия реакции водяного газа.

их

zy *

132

Задавшись температурой взрыва (о способе приближенной оценки температуры взрыва будет сказано ниже), находим значение кон­ станты равновесия K v. Таким образом, для определения четырех неизвестных величин х, у, z и и имеем систему из четырех уравнений, которые могут быть приведены к квадратному уравнению относи­ тельно у. Вычислив у, легко определяем значения х, и, z.

Зная конечный состав продуктов реакции, можно рассчитать теплоту взрывчатого превращения и температуру. Если прп этом мы получим ту температуру, которой задались при расчете, то расчет уравнения выполнен правильно. В противном случае расчет следует повторить, задавшись другой температурой.

В качестве примера произведем расчет уравнения взрывчатого превращения гексогена. В соответствии с вышеизложенным напишем

исистему трех уравнений

х= 3— у;

u = Q— 3 — y = 3 — y; z = 3—6 -|- г/+ 3 = у.

Предположим, что температура взрыва гексогена равна 3500 К. В этом случае имеем

K D= — =7,84

рZXJ

или, решая это уравнение относительно у, получим

Решпв это квадратное уравнение, получим:

y = z = 0,775 0,8;

х = и = 3— у = 2,2.

Таким образом, уравнение взрывчатого превращения гексогена будет иметь вид:

C3HeNe0 6 = 2,2СО + 0,8СО2 + 0,8Н2 + 2,2Н,0 + 3N,.

ВВ третьей группы. К ним относятся ВВ с отрицательным кисло­ родным балансом (например, тротил), в продуктах взрыва которых находится твердый углерод.

Приближенно реакцию взрывчатого превращения взрывчатых веществ этой группы можно составить при допущении, что кислород, имеющийся в составе ВВ, окисляет сначала весь водород до воды, а затем оставшаяся часть кислорода реагирует с углеродом, обра­ зуя окись углерода. Избыток углерода выделяется в элементарном виде.

133

Для уточнения реакции взрывчатого превращения ВВ этой группы следует принимать во внимание равновесную реакцию, называемую р е а к ц и е й д о м е н н о г о г а з а

2СО +± С + С02 + </.

Предположим, что в продуктах взрыва свободного углерода будет содержаться» грамм-атомов. Тогда часть ВВ, превращающихся в газы, можно написать в виде формулы

СсчхНаО Л ..

Для этой формулы производим расчет по равновесию реакции водяного газа (как для ВВ второй группы). По результатам расчета вычисляем процентное содержание СО и С 02 в составе продуктов взрыва. Подставляем эти величины в выражение для константы равновесия доменного газа

где pz — общее давление [% СО] и [%С02] — объемный процент газа в составе смеси.

Температуру взрыва получаем при расчете реакции по равновесию водяного газа, а задавшись давлением взрыва рх, по данным, приве­ денным на стр. 133, можно определить константу равновесия К$. Подставляя эти значения в выражение (Х.З), вычисляем правую п левую части выражения. Если левая часть уравнения будет больше правой, то задаемся большим значением а и повторяем расчет. После­ довательные приближения продолжаем до тех пор, пока левая часть не станет равна правой.

Таким образом, пользуясь этой методикой, можно определить уравнение взрывчатого превращения любого ВВ. По закону Авогадро, рассчитаем объем продуктов взрыва F„, образующихся при взрыве 1 кг аммонита № 6ЖВ. Воду при этом рассматривают как газ; твердые продукты не учитывают, так как их объем мал по сравнению с объемом продуктов взрыва. Для расчета воспользуемся уравнением (Х.1) взрывчатого превращения аммонита № 6 Ж В . В этом случае удель­

молей газообразных продуктов, образующихся при взрыве 1 кг ВВ.

Теплоту взрыва рассчитывают на основе закона Гесса, который гла­ сит, что тепловой эффект химической реакции зависит только от на­ чального и конечного ее состояния и не зависит от промежуточных.

134