книги из ГПНТБ / Шепелев С.Ф. Газовость промышленных взрывчатых веществ на рудниках

Г л а в а II

МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОСТИ ВВ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Существует два метода определения количества ядови­ тых газов, образующихся при взрывании ВВ — лаборатор­ ный и производственный. Первый из них применяется тог­ да, когда с минимальными затратами средств и времени необходимо сравнить различные ВВ в идентичных усло­ виях, выяснить условия их использования, а также уточ­ нить влияние на состав газов физико-механических свойств горных пород. Этот метод обычно используется при взрывах небольших количеств ВВ (от 50 до 200 г).

Определение газовости ВВ осуществляется в специаль­ ных стальных бомбах различного объема (от 5 до 50 л), в которых создаются условия, в некоторой степени модели­ рующие производственные.

По этому признаку лабораторные методы подразде­ ляются следующим образом:

— взрывание вертикально подвешенных зарядов в воз­ духе или в вакууме в бомбах Долгова (У =50 л), Бихеля

(F=15 и 20 л) и Апина ( F=5 л);

—взрывание заряда, помещенного в кубик породы, при нормальных атмосферных условиях в бомбе Долгова;

—взрывание заряда в песчаной оболочке в вакуум­ ных бомбах Долгова или Бихеля;

—взрывание заряда при избыточном давлении 150— 200 мм рт. ст. в свинцовом блоке Трауцля, помещенном

вбомбу Долгова.

Указанные бомбы представляют собой полые стальные цилиндры с глухим днищем и съемной крышкой. В зави­ симости от расположения они могут быть вертикальными и горизонтальными, а на их корпусах предусмотрены спе­ циальные штуцеры с вентилями и клапаны для создания вакуума, измерения давления и отбора проб [3, 4, 5].

Как указывалось выше, в бомбах, по возможности, мо­

31

делируются производственные условия, однако это яв­ ляется грубым приближением вследствие трудности охва­ та всего многообразия горнотехнических условий и полу­ ченные результаты бывают малонадежны. Поэтому при выборе расчетной величины газовости ВВ следует ориен­ тироваться на производственные методы ее оценки, прово­ димые по единой схеме.

В качестве отправных установок здесь можно исполь­ зовать рекомендации В. А. Ассонова, В. Д. Росси (камер­ ный метод) и П. А. Парамонова, А. Г. Алексеева (беска-

мерный метод) [5, 16, 18, 21].

Камерный метод

Определение количества взрывных газов камерным методом проводилось еще в 30-х годах [17]. Однако тогда не было единой схемы проведения опытов и полученные результаты трудно было сопоставить. Одна из первых попыток в этом отношении предпринята В. А. Ассоновым и Б. Д. Росси в 1958 г. [18], которые для исключения влияния каких-либо побочных факторов рекомендуют про­ водить эксперименты раздельно в породных и рудных за­ боях с использованием ВВ одного качества, изготовлен­ ных на одном заводе.

Сущность их метода сводится к следующему. В дейст­ вующих горноподготовительных или нарезных выработ­ ках создаются искусственные камеры, ограниченные, с од­ ной стороны, грудью забоя, а с другой — занавесом из промасленного или прорезиненного брезента. Сечение вы­ работки (камеры) находится в пределах 44-10 м2, а дли­ на — 15—40 м при угле ее наклона не более 30°.

Занавес имеет размеры, на 1 я превышающие высоту

иширину камеры из того расчета, чтобы нахлестка состав­ ляла 0,5 м. Перед взрывом занавес свертывается в рулон

иподвешивается у кровли выработки для удобства быст­ рого опускания. Взрывные газы в камере тщательно пе­ ремешиваются при помощи местных вентиляторов или вручную кусками плотной материи, а пробы набираются респираторщиками для последующего анализа в газоана­ литической лаборатории.

Камерный метод, рекомендованный ИГД им. А. А. Ско-

чинского, достаточно прост и удобен, тем не менее ему присущи некоторые недостатки технического порядка, устранение которых позволяет повысить точность и на­ дежность результатов экспериментов. В этой связи при анализе газовости ВВ на рудниках Казахстана приведен-

32

ная выше методика была несколько видоизменена и до­ полнена.

Выбор условий проведения опытов. Горные породы экспериментальной выработки должны быть однородны­ ми, без пропластков и крупных минералогических вклю­ чений другого состава. Забой по возможности выбирается сухим, так как повышенная влажность пород и наличие капежа существенно влияют на количество газообразных продуктов взрыва вследствие хорошей растворимости не­ которых из них, например окислов азота.

Если на данном предприятии преобладают обводнен­ ные забои, то в целях сопоставительной оценки в них сле­ дует провести самостоятельные замеры. Атмосферные условия должны соответствовать установленным нормам и не отличаться существенно от обычных средних.

Для проведения опытов выбираются прямолинейные и горизонтальные выработки с однотипным креплением или ровными стенками, кровлей и почвой, если выработка не закреплена. Сечение последней не загромождается лесом, используемым оборудованием и пр.

Угол наклона экспериментальной камеры по рекомен­ дациям В. А. Ассонова и Б. Д. Росси может достигать 30°, однако, как показали наблюдения на ряде рудников Ка­ захстана, при а = 30° в выработках, проходимых по восста­ нию у груди забоя, скапливаются легкие газы (NH3, СО и др.), а тщательное их перемешивание затруднено из-за неудобства передвижения.

При проходке сверху вниз наблюдается обратная кар­ тина, т. е. в количественном отношении у забоя преобла­ дают SO2, NO2, СО2, H2S. Поэтому для обеспечения более или менее равномерных концентраций компонентов газо­ вой смеси угол наклона выработки не должен превышать

10—15°.

Сечение выработки выбирается с учетом удобства рас­ положения замерных точек. При ручном пробоотборе опти­ мальными будут' высота выработки — 24-3, ширина —

2,5-^3,5 и сечение — 5-^11 м2.

Что касается длины камеры, то здесь нельзя рекомен­ довать каких-либо конкретных ее значений, т. к. величина зоны отброса продуктов взрыва зависит от количества одновременно взрываемого ВВ, обусловленного паспортом буровзрывных работ.

Длина зоны отброса газов в момент взрыва комплек­ та шпуров устанавливается по известной приближенной формуле [13, 19]

(II.l)

Величину l3.0 следует увеличить на 8—10%, так как работа заряда в шпурах неодинакова и зависит от их диа­ метра, угла наклона, сетки расположения и пр. Поэтому фактическая длина зоны отброса может превысить расчет­ ную, и за искусственную перегородку возможен выброс некоторого количества газов еще до ее закрытия.

С учетом сказанного

Принимая во внимание, что сечение эксперименталь­ ной камеры меняется в пределах 5-У 11 ж2, получим

скольким промерам, производимым через каждые 2—3 ж. При этом из Уэ.к вычитаются заранее известные объемы элементов крепи, оборудования и т. д. проходящим мимо вентиляционным потоком, изолирующие устройства рас­ полагаются не ближе 2Z3 0 от сопряжения выработок.

Конструкции изолирующих устройств. Изолирующие устройства в экспериментальных камерах представляют собой обыкновенные перемычки легкого типа, подразде­ ляющиеся на гибкие и жесткие.

Гибкие изоляторы изготовляют из газонепроницаемой ткани или резины. Для этой цели используются прорези­ ненный или промасленный брезент, склеенные вентиля­ ционные рукава, транспортерная лента и пр. Изоляторы этого типа бывают одно- и двухрядными, причем первые применяются при небольших удельных расходах ВВ.

Перед взрывом занавес сворачивается в рулон и подве­ шивается у кровли выработки, с тем чтобы его можно бы­ ло быстро опустить. Для лучшей герметизации камеры в выработке устанавливаются спаренные дверные оклады прямоугольной или трапецеидальной формы, а простран­ ство между стойками и стенками выработок плотно заби­ вается глиной и тщательно зашивается обрезной доской.

Опускается занавес вручную либо под действием гру­ за, прикрепленного к нижней его части. После этого боко­ вые стороны занавеса прижимаются к дверному проему рейками или натягиваются на специальные металличе­

34

ские крючки — крепежные скобы. Укрепляются скобы по периметру выработки через 30—40 см в подбурках (10— 20 см), в которые забиваются деревянные колья.

При исследованиях на рудниках Казахстана исполь­ зовались преимущественно двухрядные шлюзовые нзоля-

а

Рис. 1. Гибкие изоляторы: а — однорядный; 6 — двухрядный; в — двухрядный шлюзовой.

торы, а также однорядные с направляющими планками и без них, поскольку они оказались достаточно герметичны­ ми и надежными. На рисунке 1 приведены основные кон­ структивные элементы таких изоляторов: 1 — гибкий за-

Рис. 2. Однорядный гибкий изолятор с направляющими планками: 1 — стойки крепления; 2 — свернутый гибкий занавес; 3 — груз в направляющих планках; 4 — дощатая обшивка; 5 — трос; 6 — блок; 7 — скоба.

навес, 2 — стойки крепления, 3 — двусторонняя обшивка из обрезной доски, пространство между которой запол­ няется глиной.

35

Изолятор с направляющими планками изображен на рисунке 2.

Перед взрывом гибкий занавес 2, к нижней части ко­ торого прикреплен деревянный брус, складывается и за­ крепляется у кровли выработки при помощи гибкой свя­ зи 5. Противоположный конец троса 5 через блоки 6 кре­ пится к скобе 7, укрепленной на груди забоя. В момент взрыва гибкая связь нарушается и занавес под действием веса груза 3 распрямляется, перекрывая выработку. На­ правляющие планки на торцах бруса 3 способствуют равномерному опусканию занавеса, исключая его переко­ сы и заклинивание. Для герметизации коробки гибкого изолятора пространство между стойками крепежных рам зашивается обрезной доской в нахлестку 4 с последующей тщательной обмазкой глиной.

Жесткие изоляторы отличаются от гибких лишь тем, что проем у них закрывается дверью. Эти изоляторы по­ добны дощатым вентиляционным дверям, но только более тщательно герметизированы [20], что осуществляется посредством обшивки перемычки воздухонепроницаемой тканью или обмазкой ее глиноцементным раствором, а пространство между досками обшивки заполняется гли­ ной.

Жесткие изоляторы, подобно гибким, могут быть одно- и двухрядными. Однако из-за сложности и продолжитель­ ности возведения шлюзовые изоляторы использовать не­ целесообразно, поэтому путь улучшения герметизации простых однорядных изоляторов более рационален. За­ крываются дверные проемы вручную или под действием тяжести дверной ляды.

На рисунке 3 показана схема жесткого изолятора, за­ крывающегося при нарушении гибкой связи 1 взрывом. Дверная ляда 2, имеющая резиновый уплотнитель (про­ кладку) 3, опускается на фиксаторы 5 и 7, также снаб­ женные резиновой прокладкой 6, и перекрывает дверной проем. Фиксаторы представляют собой деревянные брусья

36

или металлические уголки, прикрепленные к обшивке изолятора 4.

Жесткие изоляторы применяются при небольшой дли­ не экспериментальных камер и высоких удельных расхо­ дах ВВ, т. е. когда требуется повышенная прочность пере­ мычек.

Отбор проб. Спустя 3—5 мин после взрыва в экспери­ ментальную камеру заходят респираторщики (3—4 чел.), снабженные изолирующими кислородными респиратора­ ми. По мере продвижения они тщательно перемешивают взрывные газы при помощи вращающихся на флагштоке брезентовых парусов размером 0,8X 0,8 м2. Смешение газов производится по всей длине выработки в течение 5— 10 мин. Если в камере имеется вентилятор частичного про­ ветривания, то перемешивание осуществляется с его по­ мощью закороченной струей. В последнем случае прини­ маются меры к полному исключению утечек газов или про­ сосов воздуха через изолятор.

Для получения достоверных данных выбираются три замерных сечения, расположенных в 2—3 м от груди за­ боя, в середине камеры и в 2—3 м от изолятора, а отбор проб осуществляется аналогично анемометрической съем­ ке способом «в сечении» или «перед собой» [12, 13, 14].

Если эти способы по каким-либо причинам непригод­ ны, то пробы берутся в тех же сечениях, но только в трех точках: у кровли, у почвы и в центре выработки. В каж­ дом сечении или в точке должно быть набрано не менее двух проб.

Пробы на определение концентрации окиси углерода набираются в футбольные камеры или резиновые мешки емкостью 1—2 л при помощи велосипедного насоса. При этом необходима предварительная двухразовая прокачка камер 5—6 качками.

Пробоотбор для анализа окислов азота обычно произ­ водят в стеклянных емкостях 0,2—1,0 л, обработанных раствором едкого натра или калия и промытых дистилли­ рованной водой, в которых предварительно создается ва­ куум до остаточного давления 15—20 мм рт. ст. Если на предприятии отсутствуют вакуумные аппараты, то можно применить так называемый мокрый способ, заключаю­ щийся в выливании дистиллированной воды из стеклян­ ной емкости в точке отбора пробы.

Анализ сернистого ангидрида производится в сдвоен­ ных склянках Петри, первая из которых заполняется 0,01 н. раствором йода, а другая —■5 мл 0,01 н. раствора гипосульфита. Склянки Петри соединены между собой ре­

37

зиновой трубкой, а отводы противоположных концов за­ крыты пробками. Перед отбором проб склянка с раствором гипосульфита подсоединяется к аспиратору, а склянка с раствором йода — к трубке, заполненной ватой. Пробоотбор продолжается до тех пор, пока через всю систему не будет прососано 2 л газовой смеси. После этого концы тру­ бок вновь закрывают пробками.

В связи с бурными темпами развития химической про­ мышленности все большее распространение получают по­ лимеры, устойчивые к химическим взаимодействиям со взрывными газами и хорошо препятствующие их диффу­ зии. Поэтому во многих пробоотборниках и при ручном пробоотборе используются емкости из этих материалов. Весьма важным условием является еще и то, что в емко­ сти из полимеров можно набирать пробы для анализа всех компонентов газовой смеси.

Химический анализ проб проводится в газоаналитиче­ ской лаборатории ВГСЧ или рудника по мере доставки проб на поверхность, но не позднее 12 час, так как потери газов за счет диффузии через стенки футбольных камер могут стать весьма ощутимыми.

Обработка проб производится известными методами, широко освещенными в отечественной и зарубежной ли­ тературе.

Бескамерный метод

Описанный выше метод приемлем для анализа продук­ тов взрыва лишь в штрекообразных выработках. Однако во многих случаях возникает необходимость оценки газовости ВВ после массовых взрывов, когда газы из очистных блоков выносятся по нескольким вентиляционным выра­ боткам и в довольно продолжительные сроки. Создание искусственных камер здесь невозможно, к тому же возни­ кают трудности, связанные с пробоотбором.

П. А. Парамонов [21] и А. Г. Алексеев [16] при экспе­ риментировании на шахтах Донбасса и Лениногорского полиметаллического комбината в начале 60-х годов впер­ вые применили так называемый бескамерный метод, кото­ рый с некоторыми изменениями используется и сейчас.

Для проведения опытов обычно выбираются очистные блоки, имеющие наименьшее количество выходов на вен­ тиляционный горизонт, а пробы набираются через опре­ деленные промежутки времени на исходящих струях.

Если принять, что концентрация взрывных газов уменьшается исключительно за счет разбавления их све­

38

Эта задача сводится к определению изменения кон­ центрации газа в функции расхода воздуха, а при посто­ янном воздухопритоке достаточно определить зависимость между концентрацией газа и временем проветривания. Построив кривые C= f(t) по каждой исходящей струе, не­ трудно вычислить площади, заключенные между этими кривыми, а также между осями абсцисс и ординат. Ука­ занные площади будут характеризовать количество газов, поступившее в вентиляционные выработки за отрезок вре­ мени t, и их абсолютное значение нетрудно измерить пла­ ниметром или в случае нахождения C= f(Qt) рассчитать как

Qt

) f{Qt)dQt .

О

Общее количество газов, выделившееся из блока, будет равно сумме частных дебитов по каждой исходящей струе, разделив которую на количество одновременно взрываемо­ го ВВ, нетрудно получить газовость ВВ.

При пробоотборе ручным способом можно использо­ вать методику, описанную ранее. В данном случае, разу­ меется, нет необходимости воздвигать изолирующие при­ способления, так как набор проб осуществляется в прямо­ линейных участках сквозных выработок, имеющих выдер­ жанное сечение. Однако это справедливо лишь для локаль­ ных взрывов, поскольку действующие в настоящее время инструкции запрещают респираторщикам ВГСЧ посещать районы подземных массовых взрывов ранее чем через 2 час. За этот промежуток времени газодинамические процессы в блоках и прилегающих к ним выработках мо­ гут претерпеть существенные изменения. Поэтому извест­ ные преимущества имеет пробоотбор при помощи автома­ тических газоотборников, которые заблаговременно мож­ но установить в соответствующем месте с заданным интер­ валом пробоотбора после взрыва (см. гл. III).

39

В месте установки пробоотборника предварительно' снимаются поля скоростей по нескольким (5—6) вертика­ лям с тем, чтобы выявить точку, отображающую сред­ нюю загазованность по сечению. В этой точке устанавли­ вается газоотборник, тщательно закрепляющийся на нуж­ ной высоте. Затем возводится пусковой механизм. Анало­ гичная работа проводится на всех исходящих из очистно­ го блока струях.

Спустя 2 час после взрыва респираторщики ВГСЧ про­ веряют состояние пробоотборника и доставляют на анализ уже отобранные пробы. Анализ последующих проб осу­ ществляется партиями в зависимости от степени разжиже­ ния продуктов взрыва, но с интервалами, не превышаю­ щими 4—5 час.

Если пробоотборник имеет емкости с плотными стен­ ками, через которые практически исключена диффузия газов, то доставку проб на анализ производят однократ­ но — после полного срабатывания прибора. По окончании пробоотбора вновь необходимо измерить количество воз­ духа, проходящего по выработкам, и привести результаты опытов к нормальным атмосферным условиям.

Бескамерный метод определения газовости ВВ доста­ точно прост и удобен, однако он может дать меньшую точ­ ность по сравнению с камерным, так как требует специ­ альных расчетов и фиксации моментов подхода первой волны газов к приборам и окончание их движения. Поэто­ му при подготовке и проведении таких опытов следует соблюдать особую тщательность.

Отметим, что использование автоматических пробоот­ борников и хроматографов [5, 22] значительно повышаетнадежность опытных данных.

Определение газовыделения из взорванных горных пород

В процессе проветривания горных выработок после взрывов в первую очередь удаляются газы из свободного пространства, а в отбитой руде и массиве горных пород они еще долго находятся в концентрациях, превышающих допустимую норму. Поэтому при погрузке руды или вы­ пуске ее из блока могут быть случаи отравления горнора­ бочих, и это обстоятельство следует учитывать при оценке полной газовости ВВ.

Для определения количества газов, содержащихся в отбитой горной породе при проходческих работах, обычна используются стержневые пробоотборники, состоящие из ручного насоса и цилиндрического газонабирателя.

40