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

%• * • ...................

Наряду с игданитами, изготовляемыми на местах их применения,, нашей промышленностью выпускаются аналогичные составы завод­ ского изготовления — гранулиты, которые предназначены для взрыв­ ных работ на открытых и подземных разработках по породам различ­ ной крепости.

Гр а н у л и т М представляет собой смесь пористой гранулиро­ ванной селитры н минерального масла.

Гр а н у л и т С-2 изготовляют на обычной непорпстой гранули­ рованной селитре марки Б, которая смешана с минеральным маслом

имелкодисперсной пористой древесной мукой.

Наиболее распространенные гранулиты АС-4 и АС-8 представляют собой однородные по внешнему виду гранулированные ВВ серебристосерого цвета. Изготовляют пх из гранулированной аммиачной селитры, покрытой пленкой минерального масла и опудренной мелко­ дисперсным алюминием. Состав н некоторые свойства гранулитов приведены в табл. 43.

Благодаря опудривающпм добавкам гранулиты отличаются малой слеживаемостыо н хорошей сыпучестью.

Все гранулиты и игданит устойчиво детонируют при применении промежуточного детонатора, представляющего собой шашку прессо­ ванного тротила или тетрила массой 150—200 г или патрон аммонита массой 200—400 г.

Существенным недостатком всех гранулптов является их неводоустойчивость.

Зерногранулпты п граммоналы. Для взрывных работ на открытых разработках в настоящее время широко используют гранулированные ВВ — зерногранулиты 30/70, 30/70-В и 50/50-В, а также граммонал А-45.

185.

З е р и о г р а н у л и т а м и н а з ы в а ю т г р у б о д и с ­ п е р с н ы е а м м о н и т ы, и з г о т о в л е и и ы е п у т е м м е ­ х а н и ч е с к о г о с м е ш е н и я г р а н у л и р о в а и н о й а м ­ м и а ч н о й с е л и т р ы и г р а н у л н р о в а н и о г о т р о ­ т и л а (г р а и у л о т о л а). Примером такого типа составов является зерногранулпт 30/70, содержащий 30% аммиачной селитры и 70% тротила. Его изготовляют простым перемешиванием компо­ нентов в барабанах без мелющих тел. Для изготовления зернограну-

.литов используют также метод горячего смешения: подогретую селитру смешивают с расплавленным тротилом и затем смесь охла­ ждают. В этом случае получается более однородная смесь, отличаю­ щаяся хорошей сыпучестью, меньшей слеживаемостыо и сравни­ тельно высокой водоустойчивостью, так как гранулы селитры в этих ВВ покрыты сплошным защитным слоем тротила.

По методу горячего смешения готовят зерногранулиты 50/50-В и 30/70-В, причем степень водоустойчивости этих ВВ зависит от толщины слоя тротила. Так, зерногранулпт 30/70-В более водоустой­ чив, чем зерногранулпт 50/50-В, и его заряды могут находиться в обводненных скважинах с непроточной водой без потерн способ­ ности к детонации свыше трех суток. В этих же условиях можно при­ менять и граммонал А-45, представляющий собой плавленый грану­ лированный аммонал с высоким содержанием тротила и алюминия. Некоторые характеристики этих ВВ приведены в табл. 44, в которой также приведены данные для гранулотола и алюмотола (гранулиро­ ванный сплав тротила с 15% алюминиевого порошка), которые реко­ мендуются для взрывных работ в обводненных скважинах с проточ­ ной водой.

Для взрывных работ в подземных условиях применяют зерногранулпт 79/21 (горячего смешения) и граммонал А-8 , предназначенные для беспатронного механизированного заряжания мокрых и обвод­ ненных (с непроточной водой) шпуров. Некоторые характеристики этих ВВ приведены в табл. 45.

Зерногранулиты отличаются от гранулятов лучшей детонацион­

186

Водонаполненные ВВ. В последние годы на основе аммиачно-селит- реыых ВВ был создан новый класс ВВ, имеющих в своем составе воду, названных поэтому водонаполнеиными ВВ. Эти ВВ обладают высо­ кой объемной мощностью, хорошей пластичностью, водоустойчиво­ стью и низкой чувствительностью к механическим воздействиям.

Добавление воды к аммиачно-селитренным ВВ снижает коэффи­ циент трения между гранулами, в результате чего происходит уплот­ нение состава. Кроме того, благодаря хорошей растворимости аммиач­ ной селитры значительное количество ее переходит в раствор, кото­ рый заполняет пространство между зернами твердых компонентов. В результате плотность взрывчатых составов возрастает до 1,5 г/см3. Соответственно увеличивается и объемная концентрация энергии в заряде, что улучшает эффект взрыва.

Сравнительная оценка водонаполненных и простейших взрывча­ тых составов показывает, что:

объемная концентрация энергии в шпуре или скважине у водонаполненньтх ВВ в 1,5—2,5 раза больше, что обеспечивает лучшее использование выбуренного объема;

давление, развиваемое при взрыве водонаполненных ВВв шпуре или скважине в несколько раз больше, чем при применении игданита и гранулитов;

благодаря более высокому давлению при применении водонапол­ ненных ВВ обеспечивается лучшее дробление породы, снижение выхода негабарита, а в целом — повышение эффективности ведения горных работ;

водонаполненпые ВВ обладают высокой водостойкостью, в товремя как ВВ простейшего состава — неводостойки.

Особенно эффективно применение водонаполненных ВВ при взрывании крепких пород, где расходы по бурению особенно велики.

Начало промышленного применения водонаполненных ВВ в нашей стране относится к 1945 г., когда возникла необходимость в утили­ зации значительных количеств оставшегося после войны пороха. Для этого пироксилиновый порох помещали в скважины, заливали водой и подрывали. Позже было показано, что применение вместоводы 50%-ного водного раствора аммиачной селитры значительноповышает эффект взрыва. Водонаполненные ВВ этого типа были испытаны в 1961 г.

187

Т а б л и ц а 46

Кгруппе водонаполнеыных ВВ, применяемых в настоящее время

внашей стране, относятся акватолы 65/35, М-15 и МГ, акванйты ЗЛ и № 16 п пфзаниты.

В состав акватолов входят аммиачная селитра, тротил, загуститель (обычно натриевая соль карбокснметнлцеллюлозы — КМЦ) и вода. В акватолы М-15 п МГ, а также в пфзаниты добавляют крупный алю­ миниевый порошок. Некоторые характеристики водонаполненных ВВ приведены в табл. 46.

Акватолы обычно изготовляют на заводах в виде сухих сыпучих смесей. Операцию водонаполнения чаще всего производят па месте проведенпя взрывных работ. Содержание воды в акватолах при водонаполненпп не должно превышать 13—15%. При меньшем содержании воды масса обладает недостаточной текучестью, а при большем — снижается объемная концентрация энергии и ухудшаются детона­ ционные свойства состава.

Помимо заводского изготовления водопаполненные ВВ изгото­ вляют непосредственно на горных предприятиях либо на стационар­ ной установке (при расходном складе взрывчатых материалов), либо в процессе заряжания скважин с помощью смесительно-зарядных установок, оборудованных на автомашинах.

Вотличие от акватолов, акванйты не обладают явно выраженной текучестью, так как содержание воды в них не превышает 4—12%. Поэтому акванйты можно снаряжать в бумажные и полиэтиленовые патроны при плотности 1,5—1,6 г/см3.

Впоследнее время в нашей стране и за рубежом большое внима­ ние уделяется изучению и разработке так называемых металлизиро­ ванных водонаполненных ВВ, состоящих из аммиачной селитры, мелкодпсперсного алюминия, воды и загустителя. Эти ВВ не содер­ жат взрывчатых компонентов и поэтому малочувствительны к меха­ ническим воздействиям. В то же время они обладают очень высокой объемной концентрацией энергии и могут оказаться весьма эффектив­ ными при взрывных работах по крепким породам.

■188

Прочие ВВ. В ряде стран находят применение перхлоратные ВВ, окислителем в которых являются перхлораты калия, натрия н аммо­ ния.

Большинство перхлоратов растворимо в воде и органических рас­ творителях. Перхлораты калия и натрия не обладают взрывчатыми свойствами, а перхлорат аммония является слабым ВВ: работоспо­ собность в свинцовой бомбе составляет 200 см3.

Перхлоратные ВВ, как правило, имеют высокую теплоту взрыва и работоспособность. Однако вследствие высокой стоимости перхлора­ тов н большой чувствительности к механическим воздействиям эти ВВ не нашли применения в промышленности.

Одно время в нашей стране применяли оксиликвиты, которые по составу можно было бы отнести к простейшим ВВ. Их готовят про­ питкой жидким кислородом измельченных углеродистых поглотите­ лей: древесного угля, торфа, мха-сфагнума и др. Изготовляют оксиликвитиые заряды в две стадии. Сначала готовят из углеродистых поглотителей патроны. Перед заряжанием эти патроны пропитывают жидким кислородом в специальных термосах.

Оксиликвиты имеют очень высокую расчетную теплоту взрыва {1600—2300 ккал/кг), однако практический эффект взрыва мало отли­ чается от эффекта, производимого аммиачно-селитренными ВВ. Это объясняется тем, что свойства оксиликвитов непрерывно меняются

всвязи с быстрым испарением жидкого кислорода и взрывание патро­ нов в основном осуществляется в тот момент, когда оксиликвитные патроны уже имеют значительный отрицательный кислородный баланс. В связи с производством других, более совершенных — безопасных и удобных в обращении промышленных ВВ оксиликвиты

внастоящее время утратили свое значение.

Ограниченное применение для взрывных работ находят пороха, однако раньше их достаточно широко использовали в горнодобыва­ ющей промышленности многих стран мира.

Г л а в а XIII

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Применение ВВ в угледобывающей промышленности осложняется тем, что подавляющее большинство угольных шахт принадлежит к числу опасных по газу или пыли. В процессе добычи угля в таких шахтах в атмосферу выделяются горючие газы, основной составной частью которых является метан. В смеси с воздухом метан образует взрывчатые смеси. Кроме того, при отбойке угля, его погрузке и транс­ портировке образуется угольная пыль, которая, будучи взвешена

ввоздухе, также способна образовывать взрывчатые смеси. Поэтому

вугольных шахтах разрешается применять не все ВВ, а только сне-

189

дпальные, которые раньше называли аитигрнзутными (от фран­ цузского слова grison — метан), а сейчас предохранительны­ ми ВВ .

§ 51. Характеристики аварий при производстве взрывных работ в шахтах, опасных по газу или пыли

Взрывы метано-воздушных смесей в угольных шахтах стали наблюдаться начиная с XVIII в., когда по мере развития угольной промышленности появилась необходимость разрабатывать пласты угля, залегающие на значительных глубинах н обладающие большой газоносностью. Увеличение глубины шахт также затрудняло их эффективную вентиляцию. Все это создавало опасные условия, а иногда приводило к возникновению взрывов в угольных шахтах. Так, в США взрывы в угольных шахтах стали наблюдаться прибли­ зительно с 1830 г., а по мере расширения добычи угля число взры­ вов быстро увеличивалось и достигло максимума в период с 1901 по 1910 г., когда было зарегистрировано 606 взрывов.

По мере улучшения вентиляции, усиления надзора за взрывными работами, совершенствования взрывчатых материалов число аварий в последующие годы сокращается, но все же остается значительным. За период с 1911 по 1956 г. в США в угольных шахтах произошло 1744 взрыва, при которых погибло 8074 человека.

Со временем несколько менялся и характер взрывов. Если ранее основную опасность представляли взрывы метано-воздушной смеси, то в настоящее время, когда шахты оснащаются мощным вентиля­ ционным оборудованием, взрывоопасная концентрация метана может создаться лишь в ограниченных участках шахты вследствие местного нарушения вентиляции или внезапного выделения большого коли­ чества метана. Поэтому вспышки метана в настоящее время носят локальный характер. Угольная же пыль часто покрывает поверх­ ность горных выработок на всем их протяжении. При взрыве эта пыль может быть поднята в воздух и перемешана с ним ударной волной, идущей впереди фронта взрывного горения угольно-воздуш- пой смеси. Поэтому взрыв угольной пыли, возникнув, может распро­ страниться практически но всей шахте.

Взрывы метано-воздушной и пылевоздушной смесей в угольных шахтах могут быть вызваны различными причинами: электрической искрой, неисправностью лампы, искреннем при трении рабочих органов горнодобывающих машин о включения пирита или песчаника и т. и.

Число взрывов метана, происшедших в угольных шахтах Дон­ басса в 1961—1968 гг. по различным причинам, приведено в табл. 47.

Среди этих причин взрывные работы занимают особое место. Действительно, при проведении взрывных работ происходит обнаже­ ние больших поверхностей угольного массива, сопровождающееся сильным газовыделением и значительным колебанием давления, что приводит к подъему угольной пыли в воздух и смешению ее

190

п выделившегося метана с воздухом. Образованная таким образом взрывчатая смесь может быть воспламенена горячими продуктами детонации шпуровых зарядов, в результате чего произойдет взрыв газопылевоздушной смеси.

В последнее время благодаря постоянному совершенствованию систем разработок, внедрению высокопредохранительных ВВ, ослан­ цеванию горных выработок, устройству сланцевых заслонов, приме­ нению водяных завес, инертизации призабойного пространства и другим мероприятиям значительно повысилась безопасность взрыв­ ных работ и они перестали быть первостепенной причиной взрывов в угольных шахтах. Однако следует иметь в виду, что малейшее пре­ небрежение правилами техники безопасности при ведении взрывных работ может всегда привести к аварии.

§ 52. Краткий исторический обзор развития предохранительных ВВ

Как отмечалось ранее, основным ВВ, широко ' применяемым в угледобывающей промышленности многих стран мира до 70-х годов XIX столетия, был черный порох. В 1860—1870 гг., когда стали применять динамиты, сразу же была отмечена большая степень безопасности их по сравнению с черным порохом. Но практический опыт показал, что и эти ВВ воспламеняют метано-воздушную и пыле­ воздушную смеси.

191

Непрерывный рост числа несчастных случаев при применении взрывчатых веществ в угольных шахтах привел к созданию в некото­ рых странах специальных комиссий, основной задачей которых являлось изучение причин взрывов в шахтах и отыскание надежных

в Англии и Бельгии. В России, где первая серьезная катастрофа произошла в 1891 г., такая комиссия была создана только в 1901 г. под руководством А. А. Скочпнского.

Первые исследования по изучению воспламенения метано-воздуш­ ной смеси были проведены во Франции Малляром и Ле-Шателье, которые изучали процессы самовоспламенения смесей горючих газов (в том числе метана) с воздухом под воздействием теплового импульса. Ими были установлены минимальные температуры вспышки этих смесей и открыто явление задержки воспламенения. Минимальная температура вспышки метано-воздушной смеси оказалась равной 650° С, но при этой температуре вспышка происходила с задержкой в течение 10 с. Опыты показали, что чем выше температура, тем короче п е р и о д з а д е р ж к и в с п ы ш к и м е т а и о - в о з ­ д у ш н о й с м е с н , к о т о р ы й б ы л н а з в а н п е р и о д о м и и д у к ц и и. Для большинства ВВ температура взрыва значи­ тельно выше 050° С, но если время воздействия высокой температуры будет меньше времени задержки вспышки, то воспламенение метановоздушной смеси не произойдет. Основываясь на этом предположе­ нии, а также на результатах опытов (Малляра и Ле-Шателье) по воспламенению метано-воздушной смеси взрывом зарядов динамита в металлических оболочках различной толщины и приближенно оценив степень охлаждения продуктов взрыва шпуровых зарядов при разрушении массива, французская антпгрнзутная комиссия предположила, что для обеспечения безопасности взрывных работ по углю достаточно снизить температуру взрыва до 1500° С, при работах же по породе можно применять ВВ с температурой взрыва не более 1900° С.

Однако практика взрывных работ показала, что ВВ, удовлетворя­ ющие этому температурному критерию, все же способны в некоторых случаях вызывать воспламенения метано-воздушной смеси. Это было объяснено следующим образом. Поскольку указанная допустимая температура взрыва (1500—1900° С) значительно выше минимальной температуры воспламенения метано-воздушной смеси (650° С), при достаточно большой величине заряда может произойти воспламенение газа, так как с увеличением заряда скорость охлаждения продуктов взрыва уменьшается, а следовательно, увеличивается время воздей­ ствия высокой температуры на газовую смесь. Так возникло п о н я ­ т и е п р е д е л ь н о г о з а р я д а , п р е в ы ш е н и е к о т о ­ р о г о п р и в о д и т к в о с п л а м е н е н и ю м е т а н о - в о з ­ д у ш н о й с м е с и . Так как теоретически величину предельного заряда рассчитать не представлялось возможным, ее стали определять экспериментально в так называемом опытном штреке.

•J92

Опытный штрек (см. рис. 63) представляет собой толстостенную стальную трубу большого диаметра (1,5—1,8 м), расположенную горизонтально на бетонном основании. С одной стороны эта труба закрыта днищем, имеющем в центре отверстие, куда входит торец мортиры. Часть штрека со стороны мортиры (около 5 м) отгоражи­ вается шторой или бумажной диафрагмой и имеет устройства для дозирования метана и перемешивания его с воздухом. Эта часть

Рис. 63. Схема опытного штрека ИГД им. А. А. Ско-

чинского:

1 — труба штрека; 2 — газовая камера; з — мортира; 4 — шторный затвор

в ней создают либо метано-воздушную смесь с содержанием метана 8—10%, либо пылевоздушную смесь из расчета 300 г пыли на 1 м5* воздуха. При этом заряд испытываемого ВВ находится в канале мортиры (диаметр канала 55 мм и длина 900 мм) и подрывается при помощи электродетонатора. О том, произошло ли воспламенение взрывоопасной среды или нет, судят либо по показанию гальвано­ метра, соединенного с батареей термопар, расположенных в стенке штрека за взрывной камерой (при вспышке стрелка быстро откло­ няется, при отказе — нет), либо по непосредственному наблюдению за появлением пламени у открытого конца штрека.

Ранее считали, что испытания в опытном штреке воспроизводят наиболее опасные условия, которые могут встретиться при взрывных работах в угольных шахтах, т. е. такие, когда заряд в шпуре взры­ вается без совершения работы (шпур остается целым) и в призабойное пространство выбрасываются продукты взрыва, имеющие максималь­ ную температуру. Несмотря на то, что в различных странах штреко­ вые испытания и конструкции опытных штреков имеют некоторые различия, сущность этого испытания оставалась одинаковой: вос­ произведение в стендовых условиях «холостого взрыва» («про­ стрела») — случая, который в то время считался наиболее опасным.

Дальнейший вклад в теорию предохранительносхи сделал фран­ цузский исследователь Одибер, который объяснил механизм воспла­ менения метано-воздушной смеси с точки зрения величины выделя­ емой при взрыве энергии.

Как показал опыт, любое ВВ может быть предохранительным, еслп в его состав ввести достаточное количество инертных добавок, основная роль которых сводится к уменьшению тепловой энергии взрыва н, следовательно, к уменьшению энергии, приходящейся на единицу объема продуктов взрыва. Отсюда можно сделать допу­ щение, что воспламенение газа может обусловливаться либо общей энергией Q, заключенной в продуктах взрыва, либо энергией q, заключенной в единице объема (в одном моле) газообразных продук­ тов взрыва.

Опыты, проведепные Однбером, показали, что если q больше 24—25 ккал, то воспламенение метано-воздушной смесп всегда имеет место; для ВВ, у которых величина q меньше 24—25 ккал, вероят­ ность вспышки зависит от содержания свободного кислорода в про­ дуктах взрыва, прн этом необходимое для воспламенения теплосодер­ жание снижается до

3 = 21,5.— 75п, ккал/моль,

где 21,5 — теплосодержапне продуктов взрыва, необходимое для воспламенения метано-воздушной смеси прн отсутствии кислорода в продуктах взрыва, ккал/моль; п — мольная доля кислорода на моль газообразных продуктов взрыва.

На основании результатов опытов Одпбер пришел к следующему представлению о механизме воспламенения метано-воздушной смесп при взрывных работах.

Продукты взрыва, имеющие высокую температуру, смешиваются с метано-воздушной смесью. Еслп в процессе разбавления продуктов взрыва метано-воздушной смесыо, но еще при составе, способном к распространению гореипя, будет достигнута температура вспышки, то она происходит. Этот механизм был назван «м е х а н и з м о м в о с п л а м е н е н и я п у т е м с м е ш е н н я».

Другой механизм воспламенения был предложен немецким иссле­ дователем Бейлпнгом, который решающую роль в этом процессе отводил не газообразным продуктам взрыва и их теплосодержанию, а непрореагировавшим частицам ВВ, вылетающим горящими из шпура и воспламеняющими метано-воздушную смесь. В соответствии с этим представлением опасность воспламенения метано-воздушной смесп обусловливается возможностью образования непрореагировав­ ших до конца частиц ВВ.

Исходя из этой гипотезы, основным путем уменьшения вероят­ ности воспламенения является применение таких взрывчатых соста­ вов п таких методов ведения взрывных работ, при которых исклю­ чается образование горящих частиц ВВ и попадание их во взрыво­ опасную атмосферу.

194