Підвищення ефективності руйнування гірничих порід конверсійними вибуховими матеріалами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний комітет України з нагляду за охороною праці

Національний науково-дослідний інститут охорони праці

(ННДІОП)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД КОНВЕРСІЙНИМИ ВИБУХОВИМИ МАТЕРІАЛАМИ

Щербань Володимир Валентинович

УДК 621.039.9+622.235

Спеціальність 05.15.11-“Фізичні процеси гірничого виробництва”

КИЇВ-2004

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національному науково-дослідному інституті охорони праці

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Кравцов М.В.,

Національний науково-дослідний інститут охорони праці, завідувач лабораторії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Воробйов Віктор Васильович,

Кременчуцький державний політехнічний університет

кандидат технічних наук,

Туручко Іван Іванович,

ЗАТ "Експериментально-промислова технологія вибухових робіт".

Провідна установа - Інститут геотехнічної механіки НАН України,

відділ механіки вибуху, м.Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 10.11.2005 року о _14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.802.01 в Національному науково- дослідному інституті охорони праці за адресою: 04060, Україна, м.Київ, вул.Вавілових, 13

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного науково-дослідного інституту охорони праці за адресою: 04060, Україна, м.Київ, вул.Вавілових, 13

Автореферат розісланий 07.10.2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Ковтун І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

конверсійний вибуховий гірський порода

Актуальність теми. Ефективність використання вибухових речовин (ВР) при видобутку скельних корисних копалин багато в чому зумовлюється ринковими цінами на продукцію, яку виготовляють з гірничої маси. Виходячи з цього та не зважаючи на те, що застосування вибухових технологій при руйнуванні скельних порід відоме давно, проблеми в цьому напрямі існують і сьогодні. У першу чергу, це пов'язано з підвищенням цін на вибухові матеріали (ВМ), поглибленням гірничих виробок, збільшенням обводнення скельних блокових масивів тощо.

На даний час широкого застосування як водостійкі ВР набули відносно дешеві конверсійні ВМ, але за тривалий період використання практично ні по одній з них не вдалося досягти рівня ефективності промислових ВР.

При проведенні масових вибухів свердловинними зарядами з конверсійних ВМ у низці випадків не забезпечується достатня ефективність: мають місце відмови свердловинних зарядів; підвищений вихід негабаритних фракцій або, навпаки, переподрібнення гірської породи; неякісна проробка підошви уступу. Причина цього - відсутність врахування механізму руйнування скельних порід вибухом свердловинних зарядів з конверсійних ВМ та процесу їх детонації при розробці рецептур ВР з цих ВМ.

З викладеного випливає, що для досягнення підвищення ефективності руйнування скельних блокових масивів свердловинними зарядами з конверсійних ВМ необхідне проведення досліджень процесів руйнування скельних блокових масивів у взаємозв'язку з механізмом детонації та вибуховими характеристиками конверсійних ВМ.

Тому підвищення ефективності руйнування гірських порід вибухами свердловинних зарядів з конверсійних ВМ є важливим науково-прикладним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до Державної програми утилізації звичайних видів боєприпасів, непридатних до зберігання і використання за прямим призначенням, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів від 25.01.95 № 40-1, у рамках науково-дослідної роботи “Розробка рецептур і технологій отримання промислових вибухових матеріалів і засобів ініціювання на основі утилізованих порохів і вибухових матеріалів” (№ держреєстрації 01024004833) та госпдоговірних робіт, що проводилися Державним науково-дослідним інститутом хімічних продуктів впродовж 1998-2004 рр., а також згідно з науковою тематикою Національного науково-дослідного інституту охорони праці (ННДІОП), в яких автор брав участь як виконавець.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка свердловинних зарядів з конверсійних ВМ, які забезпечують ефективний механізм руйнування скельних блокових масивів для отримання якісної гірничої маси.

Для досягнення поставленої мети визначено такі завдання:

1. Обґрунтувати механізм руйнування скельних блокових масивів вибухами свердловинних зарядів з конверсійних ВМ.

2. Розробити рецептури ВР на основі конверсійних ВМ, що не поступаються промисловим ВР, та визначити їх вибухові, технологічні й еколого-економічні характеристики.

3. Розробити та випробувати в промислових умовах свердловинні заряди на основі конверсійних ВМ, що забезпечують якісне подрібнення скельних блокових масивів.

4. Оцінити технологічну й економічну ефективність застосування свердловинних зарядів на основі конверсійних ВМ при подрібненні обводнених скельних блокових масивів.

Об'єктом дослідження є процес руйнування скельних блокових масивів вибухами зарядів на основі конверсійних ВМ.

Предметом дослідження є показники руйнування скельних блокових масивів у взаємозв'язку з механізмом детонації та вибуховими характеристиками конверсійних ВМ.

Методи досліджень. У роботі використано такі методи досліджень: аналітичні - для опису високошвидкісних фізичних процесів у ВР та визначення хімічної стійкості й сумісності конверсійних ВМ; математичні - при розрахунку високошвидкісних навантажень середовища шляхом співудару, експериментальні - при визначенні вибухових і фізико-механічних характеристик конверсійних ВМ; графоаналітичного та техніко-економічного аналізу отриманих результатів.

Основні наукові положення, які виносяться на захист.

Ефективність подрібнення блокових середовищ вибухом свердловинних зарядів з конверсійних ВМ визначається кількісним співвідношенням у заряді порохових і бризантних компонентів та їх фізико-хімічним станом.

Підвищення ефективності руйнування скельних блокових масивів вибухом свердловинних зарядів з конверсійних ВМ досягається за рахунок збільшення впливу відкольних явищ у механізмі подрібнення блоків масиву.

Ефективна й безпечна вибухова дія свердловинних зарядів з конверсійних ВМ досягається за хімічною сумісністю компонентів свердловинного заряду і використанні флегматизуючих добавок.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

виявлено закономірності процесу протікання детонації в свердловинних зарядах з конверсійних ВМ залежно від їх фізичного стану;

обґрунтовано вплив ударної хвилі, обумовленої вибухом свердловинного заряду з конверсійних ВМ, на характер подрібнення скельних блокових порід;

розроблено математичну модель розрахунку численного відколу в блоковому середовищі при дії вибуху свердловинного заряду з конверсійних ВМ;

встановлено експериментальні залежності зміни швидкості та критичного діаметру детонації від насипної щільності для конверсійних ВМ: А-ІХ-1, А-ІХ-2, НДТ-3, ДГ-4, 15/1 і РСИ-12К;

обгрунтовано хімічну сумісність конверсійних ВМ між собою та флегматизуючими добавками.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці свердловинних зарядів на основі конверсійних ВМ, які забезпечують якісне подрібнення скельних блокових порід шляхом:

використання в свердловинних зарядах рецептур ВР на основі утилізованих ВМ: Біпор 50/50, Гепор-1, Гепор-2, ЗСВ-П;

розробки практичних рекомендацій щодо формування свердловинних зарядів з конверсійних ВМ.

Достовірність наукових досліджень підтверджується збіжністю представлених у роботі досліджень за результатами промислових випробувань ВР на основі конверсійних ВМ при подрібненні скельних блокових порід на кар'єрах Житомирської, Івано-Франківської та Тернопільської областей, а також тим, що розроблені рецептури успішно використовуються при подрібненні скельних блокових порід на кар'єрах, які обслуговуються підприємствами “Західукрвибухпром”, Західдорвибухпром”, “Сарнивибухпром”, “Укрдорвибух-ром”.

Особистий внесок претендента в роботи, які опубліковані в співавторстві, полягає: в [1] розроблено підходи до створення рецептур промислових ВР на основі конверсійних ВМ; у [3] наведено вимоги до технологічного обладнання, які дозволяють забезпечити необхідний рівень якості ВР, що отримуються; в [5] визначено напрями вибору флегматизуючих домішок; у [7] обґрунтовано технологічні можливості та визначено умови застосування баліститних твердих ракетних палив як промислові ВР; у [8] зроблено висновки про можливість використання баліститного палива для дроблення сульфідвміщуючих порід.

Апробацію результатів робіт здійснено доповідями на Міжнародній школі-семінарі “Горіння дисперсійних систем” (м. Одеса, 5-8 червня 2001 р.), 4-му Міжнародному науковому семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів” (м. Дніпропетровськ, березень 2001 р.), 1-ій українсько-російській науково-практичній конференції з питань взаємодії підприємств боєприпасної галузі . Шостка, 26-27 червня 2002 р.), 2-ій науково-технічній Міжнародній конференції (м. Євпаторія, 23-28 червня 2003 р.), 5-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Комплексна утилізація звичайних видів боєприпасів” Красноармійськ, Московська обл., 11-12 вересня 2003 р.), 3-їй Міжнародній науково-технічній конференції “Застосування промислових і конверсійних вибухових речовин при руйнуванні гірських порід вибухом і екологічна безпека” (м. Івано-Франківськ, 21-26 лютого 2005 р.), 4-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірничих порід” (Крим, Бахчисарайський район, с. Піщане, 20-24 червня, 2005 р.), щорічних нарадах міжвідомчої асоціації “Укрвибухпром” (м. Київ, 2001-2004 р.р.) і науково-технічних семінарах у ННДІОП (м. Київ, 2002-2005 р.р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 статей в фахових наукових журналах, збірниках праць та тез доповідей.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 92 найменувань та семи додатків, а також включає 27 рисунків та 30 таблиць. Загальний обсяг роботи становить 147 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, наукову новизну й практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено аналіз теоретичних досліджень і досвіду застосування ВР з конверсійних ВМ для подрібнення гірських порід вибухом свердловинних зарядів.

Значний внесок у створенні високоефективних ресурсозберігаючих, екологічно чистих і безпечних технологій підривання масивів гірських порід внесли учені: В.А. Белін, В.В. Воробйов, В.Д. Воробйов, О.О.Вовк, М.Ф. Друкований, А.С. Державець, Е.І. Єфремов, Б.Н. Кутузов, Ф.І. Кучерявий, Р.С. Крисін, В.М. Комір, М.В. Крівцов, В.Г. Кравець, Б.В. Мацєєвич, Ю.С. Мець, В.Д. Петренко, К.Н. Ткачук, Н.У. Турута, П.І. Федоренко Ю.Г. Щукин та інші.

Результати аналізу робіт вищенаведених вчених показали, що існує низка уявлень про механізм руйнування гірських порід під дією вибуху свердловинних зарядів. Крім того, процес руйнування скельних блокових масивів у взаємозв'язку з механізмом детонації та вибуховими характеристиками конверсійних ВМ досліджено недостатньою мірою.

Порівняльний аналіз характеристик бризантних конверсійних ВМ А-ІХ-1, А-ІХ-2, а також баліститних і піроксилінових порохів, баліститних і сумішевих твердих ракетних палив з грамонітом 79/21 показує, що вони відрізняються, а саме - конверсійні ВМ мають значно вищу швидкість детонації, вони менш чутливі до ініціюючого імпульсу та чутливіші до механічних дій.

Досвід застосування конверсійних ВМ у свердловинних зарядах виявив, що в низці випадків має місце підвищений вихід негабаритних або переподрібнених фракцій та відмови зарядів при їх ініціюванні. Відповідно й необхідна ефективність руйнування скельної породи не досягається.

Фактично при розробці ВР з конверсійних ВМ існує два підходи, які основані на:

мінімізації витрат приготування ВР, за рахунок чого має місце отримання нижчої (порівняно з промисловими ВР) вартості реалізації споживачу;

отриманні збалансованих композицій з нульовим кисневим балансом, в яких конверсійні ВМ виступають як горючий компонент, а селітра - як окислювач.

Реалізація першого підходу при застосуванні відомих ВР з конверсійних ВМ (граніпор, гексотал, гекфол, порох баліститний для вибухових робіт), призводить до виникнення технологічних недоліків, що пояснюється недоопрацьованістю цих рецептур.

Реалізація другого підходу практично зводить до нуля таку перевагу конверсійних ВМ, як практично абсолютну водостійкість.

Враховуючи, що кількість конверсійних ВМ, яка зберігається на арсеналах і базах Міністерства оборони України, складає понад 500 тис. тонн, підвищення ефективності їх застосування в гірничорудній промисловості України є актуальним науково-прикладним завданням.

Виходячи з аналізу стану розглянутої проблеми, сформульовані вищезгадані мета та завдання досліджень.

У другому розділі на основі вивчення процесів вибухового перетворення конверсійних ВМ обґрунтовано вибір напряму досліджень.

Ґрунтуючись на дослідженнях Дрьоміна А.Н. та інших, в яких представлено деякі особливості протікання детонації в різних за своєю хімічною будовою органічних речовинах (ВР, легкозаймисті високомолекулярні з'єднання), в роботі запропоновано конверсійні ВМ, що підлягають утилізації, розділити на дві групи:

перша - потужні бризантні ВР, основними компонентами яких є октоген і гексоген, що мають дрібнокристалічну структуру;

друга - артилерійські баліститні та піроксилінові порохи й баліститні тверді ракетні палива, які за своєю хімічною будовою близькі до полімерів.

Вивчення процесу детонації в конверсійних ВМ першої групи показало, що при детонації їх в свердловинному заряді виявляються два механізми її розповсюдження: детонація, що відбувається одночасно по всьому фронту, час протікання якої рівний часу реакції вибухового перетворення в даній речовині, і детонація, яка розповсюджуються по гарячих точках.

Як випливає з робіт Колдунова С.А., для цих конверсійних ВМ характерним є те, що при зменшенні їх щільності нижче (ніж 0,8) від максимальної детонація протікає тільки за механізмом гарячих точок.

З наведеного аналізу випливає, що переведення конверсійних ВМ першої групи з монолітного стану в гетерогенний призводить до однозначної появи гарячих точок по фронту детонаційної хвилі.

Як показав аналіз досліджень Блока С., Вейра Ц.Е. та інших, детонація за другою групою конверсійних ВМ протікає тільки за механізмом гарячих точок, який відрізняється від детонації конверсійних ВМ першої групи. Тут виникнення гарячих точок визначено не гетерогенністю речовини, а хімічною будовою молекул. У цьому випадку гарячими точками є осередки виділення енергії при руйнуванні найміцніших молекулярних зв'язків речовини у фронті ініціюючого імпульсу. Збудження достатньої для підтримки реакції вибухового перетворення кількості осередків виділення енергії в таких речовинах вимагає енергетично потужного імпульсу.

Аналіз досвіду використання в свердловинних зарядах порохів за гетерогенним станом показав, що їх детонація при зменшенні щільності заряджання різко погіршується. Отримання стабільної детонації може відбуватися при їх застосуванні в свердловинних зарядах разом з бризантними вибуховими компонентами.

Таким чином, дослідження процесу детонації для другої групи конверсійних ВМ показує, що їх ефективне використання можна досягти при формуванні у вигляді монолітних зарядів із забезпеченням їх детонації потужним ініціюючим імпульсом або їх диспергуванням до такого стану, при якому забезпечується незгасаюча детонація за механізмом гарячих точок.

Ефективне використання всього спектру конверсійних ВМ у свердловинних зарядах може бути досягнуто тільки за умови приведення їх до такого гетерогенного стану, при якому надійно забезпечується механізм детонації по гарячих точках.

Ґрунтуючись на вищевикладеному, напрямом досліджень обрано створення свердловинних зарядів шляхом використання в них рецептур ВР з конверсійних ВМ, що забезпечують стабільне збудження детонації та її розповсюдження в речовині за механізмом гарячих точок.

Зважаючи на те, що гірські породи, які розробляються, мають різну міцність, рівень тріщинуватості та ступінь обводнення, а конверсійні ВМ мають широкий діапазон зміни вибухових характеристик, до напряму досліджень включено вивчення механізму руйнування блокових середовищ під дією ударних імпульсів, що створюються при детонації конверсійних ВМ.

Третій розділ присвячений аналітичним дослідженням механізму руйнування скельних блокових масивів зарядами з конверсійних ВМ.

Як відомо, вибух свердловинного заряду в скельних блокових масивах викликає руйнування, що обумовлено діями ударної хвилі та газового потоку продуктів детонації. Дія ударної хвилі викликає руйнування гірської породи за рахунок її стиснення, а за наявності вільних поверхонь - розтягування у відбитій хвилі.

Газовий потік продуктів детонації розповсюджується природними тріщинами масиву, а також тріщинами, які виникли під впливом хвиль напруги, а також зміщує елементи масиву, чим обумовлюється їх зіткнення й подальше руйнування.

Енергетика газового потоку продуктів детонації визначається для конкретної речовини об'ємом газів, що виділяються при вибуховому розкладанні, та теплотою вибуху. Проведений термодинамічний розрахунок з використанням багатоцільового програмного комплексу “АСТРА-4” (табл.1) для наведеного ряду конверсійних ВМ показав, що ці показники рівнозначні з характеристиками промислових ВР.

Таблиця 1

Термодинамічні характеристики для конверсійних ВМ і грамоніту 79/21ГС

Вид ВМ|	А-ІХ-2	А-ІХ-1	Граммоніт 79/21	Порох піроксиліновий	Порох баліститний	БТРТ
Теплота вибуху, ккал/кг	1520-1550	1150-1250	1010-1050	870-950	820-940	820-850
Об'єм газів, що виділяються, л/кг	750	900	895	830-940	780-890	800-900

З аналізу властивостей конверсійних ВМ випливає, що кінетична енергія ударної хвилі в них значно більша, ніж у промислових ВР.

Виходячи з цього, в роботі розглянуто дію інтенсивної ударної хвилі на блоковий масив з параметрами ударної адіабати для гексогену.

Процес руйнування будь-якого матеріалу пов'язаний з його пластичними властивостями. Облік цього впливу задається через лінійне співвідношення, що описує залежність швидкості пластичної деформації г'пл від швидкості розмноження мікропорушень в матеріалі Nm і зсувних напруг уxy

г'пл = в Nm щ, (1)

де в - вектор Бюргерса; Nm - щільність рухомих мікропорушень; щ - середня швидкість порушень.

Nm = N0 + L г'пл (2)

щ = уxy / В, (3)

де уxy - зсувна напруга; N0 - початкова щільність рухомих мікропорушень; L - параметр розмноження; В - коефіцієнт гальмування.

Наведене співвідношення (1) забезпечує лише частковий опис еволюції імпульсу стиснення, оскільки великий рівень зсувних напруг, пов'язаний з високою швидкістю навантаження, призводить до двійникування та гетерогенного зародження носіїв порушень, появи інших механізмів пластичної деформації.

Виходячи з цього, для високошвидкісних навантажень у роботі запропоновано експоненціальну залежність пластичної деформації г'пл від величини зсувних напруг уxy таким виразом:

гпл = k1уxy [f(xy, t) + k2 exp |уxy|/ф], (4)

де k1, k2, ф - константи, що характеризують в'язкість матеріалу та швидкість зародження носіїв пластичної деформації; f(xy,t) - функція, що характеризує історію навантаження:

, (5)

(6)

Застосування залежності (4) в експоненціальному вигляді забезпечує дотримання умови довговічності матеріалу від навантаження для малих напруг, і, відповідно, істотного зниження залежності часу руйнування від напруги при великих навантаженнях.

Виходячи з проведених у роботі досліджень імпульс, який виникає від вибуху заряду ВР, задавався в прямокутній формі з параметрами, що описуються ударною адіабатою для гексогену.

Задача розв'язувалася в Лагранжевій системі координат. Система рівнянь включала: рівняння руху та неперервності, що задаються у вигляді часткових похідних за часом (t) і довжиною (h)

?u/?t + х0?x/?h = 0; (7)

?х/?t - х0?u/?h = 0, (8)

де u - масова швидкість середовища; х0 - початковий об'єм середовища,

Рівняння, що описують стан матеріалу в умовах всебічного і одновимірного пружного стиснення взято в такому вигляді:

, (9)

. (10)

Залежність подовжньої швидкості звуку ( ) від тиску визначалася з виразу

, (11)

де и - коефіцієнти лінійного співвідношення між швидкістю детонації D і масовою швидкістю u в ударній адіабаті для матеріалу.

Кінетика пластичної деформації задавалася у вигляді (4). Падіння зсувної напруги уху в міру руйнування описувалося виразом:

, (12)

де хт - питомий об'єм мікропорушень в матеріалі, швидкість росту якого задавалася у вигляді

, (13)

де А1, А2, , - константи матеріалу.

Константи кінетики пластичної деформації брали, виходячи із загальних уявлень процесу руйнування в гірничих породах (k1 = 2,5*10-2 см*с/г; k2 = 1,1*10-17; ф = 108 г/см*с2; f1= 2,5*10-4; f2= 5*10-8; А1 = 10-8 см4 *с/г2; А2 = 1,5*10119; хТ0 = 10-5 см3/г; хТ1 = 10-3 см3/г; у0 = 8 г/см*с2), а також спираючись на значення початкової щільності граніту с0 = 2,6 г/см3, максимальної напруги на стиснення

ух max = 9 г/см*с2, поздовжньої = 6 • 102 см/с і об'ємної швидкості звуку = 2 • 102 см/с. Значення с0 і ударної адіабати брали виходячи з швидкості детонації D для гексогену розрахованої з урахуванням впливу щільності заряду с0 = 2,78; = 1,9. Розрахунки проводилися наскрізним методом з використанням “шахової сітки” та квадратичної псевдов'язкості.

Розрахунок показав, що при дії на гірничу породу ударним імпульсом, який створюється зарядом гексогену, на вільній поверхні окремості спостерігається множинний відкол. Кількість елементів, що відкололися, та їх розмір пов'язані з її товщиною. При збільшенні товщини окремості з 300 до 1000 мм кількість відколотих елементів зменшується вдвічі.

Одержаний при цьому розподіл руйнувань по глибині матеріалу, зображено на рис.1.

Як відомо, кінетична енергія хвилі напруг Е після виходу на вільну поверхню має такий вигляд:

Е = Ер + Еов + Еп, (14)

де Ер - енергія, витрачена на руйнування матеріалу в зоні відколу; Еов - кінетична енергія відбитого сигналу; Еп - кінетична енергія ударного імпульсу, що перейшла в частину, яка відкололася, що, в свою чергу, виражається у вигляді суми кінетичних енергій, що передаються з елементами, які відкололися:

. (15)

Детальний аналіз виразів (14), (15) показав, що, з одного боку, збільшення швидкості розповсюдження й амплітуди ударного імпульсу приводить до підвищення рівня подрібнення масиву, а з другого - при застосуванні конверсійних ВМ в масивах з великим об'ємом тріщин підвищується вірогідність переподрібнення не тільки в окремостях, прилеглих до свердловинного заряду, але й в тих, що знаходяться за ними. Тому застосування конверсійних ВМ першої групи в дрібноблокових масивах призводить до зниження якості гірничої маси.

Для спрощення використання рекомендацій із застосування конверсійних ВМ в масивах різної блоковості всі тріщинуваті масиви нами поділено на дві групи: велико- і дрібноблокові. До великоблокових віднесено масиви, характерні розміри окремостей для яких перевищують 0,5 м. За класифікацією Міжвідомчої комісії у вибуховій справі це масиви III, IV, V категорії блоковості. До дрібноблокових віднесено масиви I і II категорії блоковості, характерний розмір окремостей для яких не перевищує 0,5 м.

Спираючись на викладене, запропоновано для великоблочних масивів використовувати свердловинні заряди із застосуванням композицій, що включають до свого складу конверсійні ВМ першої групи і конверсійні ВМ другої групи та диспергованому вигляді, а також заряди, що є монолітною структурою і виконані з баліститного твердого ракетного палива.

Для дрібноблочних масивів найефективніші композиції, які складаються тільки з конверсійних ВМ другої групи, диспергованих до рівня, що забезпечує надійну передачу детонації по довжині свердловинного заряду, існуючими на кар'єрах будівельних матеріалів технологіями підривання свердловинних зарядів.

У четвертому розділі наведено експериментальні дослідження впливу складу конверсійних ВМ у свердловинах різного діаметра на ефективність дії вибуху.

Експериментальні дослідження проводилися з використанням таких методів: Дотріша, конуса, та манометричного, а також методів випробувань на чутливість до удару та тертя за ГОСТ 4545.

Дослідження проводилися в полігонних умовах і включали визначення залежності критичного діаметра детонації (рис.2, 3) і швидкості детонації (рис.4-6) конверсійних ВМ від їх гранулометричного складу.

Одержані залежності (рис.2) показують, що критичний діаметр баліститих ракетних твердих палив і баліститих порохів для всього діапазону зміни щільності становить від 120 до 200 мм.

Для бризантних конверсійних ВМ А-IX-1, А-IX-2 у всьому діапазоні варіювання щільністю заряджання критичний діаметр не перевищує 70 мм (рис.3), а швидкість детонації не знижується менше 7,0 км/с (рис.5, 6).

Проведені експериментальні дослідження сумішей конверсійних ВМ А-IX-1 та А-IX-2 з порохами показали (рис.7-9), що ефективнішою є композиція конверсійних ВМ із співвідношенням бризантних ВР А-IX-1, А-IX-2 і баліститного пороху в межах 30:70. за цим співвідношенням компонентів критичний діаметр детонації для композиції становить 50-60 мм, а швидкість детонації- 5,0-6,0 км/с.

Враховуючи недоліки цієї композиції - можливість розшарування за фракціями через різний гранулометричний склад компонентів, високу чутливість до механічних дій та об'ємного електричного опору, в роботі обгрунтовано рішення застосування поверхневої флегматизації конверсійних ВМ водомасляним складом в об'ємі 4-6 % від загальної маси заряду.

Виходячи з того, що обов'язковою умовою при створенні композиційних рецептур є їх хімічна сумісність, аналітичними дослідженнями, проведеними манометричним методом на установці “Вулкан”, визначено кінетику розкладання конверсійних ВМ в суміші між собою і флегматизатором (рис.10). Ці дослідження підтвердили хімічну стійкість випробуваних сумішей.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження дали змогу встановити межі зміни характеристик конверсійних ВМ і перейти до обґрунтованого вибору рецептур ВР з досліджених конверсійних ВМ.

У п'ятому розділі викладено обґрунтування вибору рецептур ВР з конверсійних ВМ і представлено результати їх застосування в промислових умовах кар'єрів будівельних матеріалів в Івано-Франківській, Житомирській і Тернопільській областях.

Виходячи із запропонованого в роботі алгоритму вибору рецептур, в умовах кар'єрів будівельних матеріалів при проведенні масових вибухів свердловинних зарядів використовувалося 4 типи рецептур ВР з конверсійних ВМ, компонентний склад яких подано в табл.2.

Таблиця 2

Компонентний склад рецептур ВР на основі конверсійних ВМ

Проведений розрахунок (табл.3) показує, що при детонації розроблених рецептур ВР кількість шкідливих газів на 30-40 % менша, а об'єм газів на 20 % більший, ніж у промислової ВР - гранулотол.

Таблиця 3

Кількість газів, що виділяються, при вибуховому розкладанні ВР

У розділі подано результати контрольних випробувань свердловинних зарядів з використанням обраних рецептур ВР, проведених на масивах різної блоковості, які показали, що при подрібненні дрібноблокових масивів ефективнішою є сумішева композиція, що складається з баліститного і піроксилінового порохів і флегматизована водою в кількості 3-6 % від загальної маси з насипною щільністю заряду не менше 0,75 г/см3, а вміст піроксилінововго пороху не нижче 50 %.

При подрібненні великоблокових масивів ефективнішими є:

сумішеві композиції з конверсійних ВМ першої групи - 30-40 % та з конверсійних ВМ другої групи - 60-70 % і флегматизатору (водомасляна композиція) - 5-6 %, з насипною щільністю сумішевої композиції не менше 1,05 г/см3;

монолітні заряди з конверсійних ВМ другої групи.

Результати викладених в розділі промислових випробувань підтвердили високу ефективність застосування розроблених рецептур ВР з конверсійних ВМ в умовах кар'єрів будівельних матеріалів. Розрахунковий економічний ефект від застосування запропонованих рецептур (табл.4) становив 2850 тис. грн.

Таблиця 4

Техніко-економічні показники застосування використаних рецептур ВР в промислових умовах

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій виконано аналітично-експериментальне обґрунтування та запропоновано практичне розв'язання актуального науково-прикладного завдання, що полягає у встановленні механізму детонації конверсійних ВМ та дослідженні дії вибуху таких ВМ у свердловинному заряді на скельний блоковий масив з метою розробки рецептур ВР з конверсійних ВМ для забезпечення ефективного вибухового подрібнення гірських блокових порід на кар'єрах з видобутку гірничої маси на щебінь.

Основні наукові та практичні результати роботи:

1. На цей час широкого застосування для руйнування скельних блокових порід набули конверсійні ВМ. Але за більшістю розроблених ВР не досягнуто необхідного рівня ефективності їх використання. Зумовлено це тим, що при розробці рецептур ВР з конверсійних ВМ не враховуються особливості детонаційного процесу в свердловинному заряді та механізму руйнування скельних блокових порід під дією вибуху таких ВМ. Тому дослідження процесів руйнування скельних блокових масивів у взаємозв'язку з механізмом детонації та вибуховими характеристиками конверсійних ВМ для підвищення ефективності руйнування скельних блокових масивів є важливим науково-прикладним завданням.

2. Вперше встановлено, що ефективна дія свердловинного заряду з конверсійних ВР досягається при його детонації за механізмом гарячих точок, що забезпечується використанням у заряді диспергованих конверсійних ВМ з різними вибуховими й енергетичними характеристиками.

3. На основі проведених досліджень процесу вибухового руйнування скельних блокових масивів свердловинними зарядами з конверсійних ВМ встановлено, що основну роль в характері руйнування великоблокових масивів відіграє ударна хвиля, а при руйнуванні дрібноблокових - продукти детонації ВР. Встановлено, що для великоблокових масивів ефективним є застосування композицій, які складаються з баліститного пороху та бризантних ВР. При цьому вміст бризантної ВР має становити в межах 30-35 %. Для дрібноблокових масивів ефективнішим є використання композицій конверсійних ВМ, що складаються з піроксилінового та баліститного порохів. При цьому вміст піроксилінового пороху повинен бути не нижче 50 % і насипна щільність композиції не менше 0,75 г/см3.

4. Базуючись на механізмі розповсюдження енергії вибуху заряду між блоками масиву шляхом співудару, розроблено математичну модель розрахунку численного відколу в блоковому середовищі при дії на нього зарядів з потужних конверсійних ВМ, згідно з якою при збільшенні товщини блоку з 300 до 1000 мм кількість відкольних елементів зменшується вдвічі.

5. У результаті експериментальних досліджень встановлено діапазони зміни вибухових (критичний діаметр, швидкість детонації) характеристик конверсійних ВМ (баліститне ракетне тверде паливо РСИ-12К, баліститні порохи НДТ-3, ДГ-4, бризантні ВР А-ІХ-1, А-ІХ-2, піроксиліновий порох) окремо й у суміші залежно від їх гранулометричного складу.

6. Експериментальними дослідженнями встановлено, що чутливість конверсійних ВМ до механічних впливів знижується до рівня промислових ВР з використанням поверхневої флегматизації водомасляними композиціями в об'ємі 4-6 % від маси заряду.

7. На основі результатів проведених аналітичних та експериментальних досліджень розроблено рецептури промислових ВР: Біпор, Гепор-1, Гепор-2, ЗВС-П, основними компонентами яких є конверсійні ВМ. Розроблені промислові ВР на стадії промислових випробувань впроваджено на гранітних кар'єрах Житомирської, Івано-Франківської та Тернопільської областей. Розрахунковий економічний ефект від впровадження розроблених ВР склав 2850 тис. грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в таких публікаціях:

1. Щербань В.В., Филимонов В.Н., Банишевский В.В. Производство промышленных взрывчатых веществ на основе взрывчатых составов, извлекаемых из утилизируемых боеприпасов // Научные труды Национальной горной академии Украины. - Днипропетровск: РИК НГА Украины. - 2001. - Т. 3. - № 11. - С. 113-119.

2. Щербань В.В. Использование воды как флегматизатора конверсионных баллиститных порохов, применяемых в взрывчатых веществах // Проблеми охорони праці в Україні. - К.: ННДІОП, 2001. - Вип. 4. - С. 110-115.

3. Переработка артиллерийских порохов для использования в качестве промышленных взрывчатых веществах / В.Н.Филимонов, В.В.Щербань, В.К.Лукашев, В.И.Борисов, В.А.Сигута, А.А.Марченко / Артиллерийское и стрелковое вооружение. - К.: НТЦ АСВ, 2003. - С. 38-40.

4. Щербань В.В. Розроблення безпечних та ефективних вибухових речовин на основі конверсійних матеріалів для подрібнення гірських порід // Проблеми охорони праці. - К.: ННДІОП. - 2003. - Вип. 7. - С. 73-77.

5. Чувствительность к механическим воздействиям промышленных взрывчатых веществ типа “Гепор” на основе гексогенсодержащих взрывчатых веществ / В.В.Щербань, В.В.Банишевський, М.Ф.Буллер, С.П. Ярманова / Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КПУ. - 2003. - Вип. 4 (21). - С. 172-175.

6. Щербань В.В. К исследованию процесса протекания детонации в композиционных взрывчатых веществах на основании конверсионных взрывчатых материалов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КПУ. - 2004. - Вип. 5 (28). - С. 79-81.

7. Щербань В.В., Банишевский В.В., Филимонов В.Н. Технология применения конверсионных баллиститных твердых ракетных топлив в качестве ПВВ // Міжнародна школа-семинар. - Одеса. - 2001. - С. 151-152.

8. Химическая совместимость баллиститного топлива з сульфидами / М.А.Маринец, М.Ф.Буллер, В.В.Щербань, В.В.Банишевский, С.П.Фомин // Тези VI Міжнародної науково-практичної конференції “Людина і космос”. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ. - 2004. - С. 369.

АНОТАЦІЯ

Щербань В.В. Підвищення ефективності руйнування гірничих порід конверсійними вибуховими матеріалами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.11 - Фізичні процеси гірничого виробництва - Національний науково-дослідний інститут охорони праці. - Київ, 2005.

Дисертаційну роботу присвячено підвищенню ефективності руйнування гірських порід свердловинними зарядами з конверсійних ВМ.

На підставі представлених у роботі аналітичних досліджень встановлено, що підвищення ефективності застосування конверсійних ВМ досягається створенням умов, які забезпечують протікання детонації в свердловинному заряді за механізмом гарячих точок. Оцінено вплив ударного імпульсу, сформованого конверсійними ВМ, на процес руйнування гірської блокової породи в зоні відкольних руйнувань.

Для дрібноблокових масивів запропоновано використання при формуванні свердловинних зарядів композицій, що складаються з піроксилінових і баліститних порохів з вмістом піроксилінового пороху не нижче 50 % і насипною щільністю не менше 0,75 г/см3.

Для великоблочних масивів максимальна ефективність досягається застосуванням композицій з баліститних порохів і бризантних ВР з вмістом бризантної ВВ у межах 30-35 % або монолітних зарядів з баліститного твердого ракетного палива.

Запропоновано зниження чутливості конверсійних ВМ до механічних дій використанням поверхневої флегматизації водою та водомасляними складами.

Промислові випробування розроблених рецептур проведено на кар'єрах будівельних матеріалів Житомирської, Тернопільської та Івано-Франківської областей підприємствами “Західукрвибухпром”, “Західдорвибухпром”, “Сарнивибухпром”. Впровадження результатів роботи дозволило одержати розрахунковий економічний ефект в сумі 2850 тис. грн. (за цінами грудня 2004 року).

Ключові слова: конверсійні вибухові матеріали, детонація, механізм руйнування, ініціюючий імпульс, блочний масив, хімічна сумісність.

АННОТАЦИЯ

Щербань В.В. Повышение эффективности разрушения горных пород конверсионными взрывчатыми материалами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 - Физические процессы горного производства - Национальный научно-исследовательский институт охраны труда. - Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена разработке рецептур ВВ из конверсионных ВМ, обеспечивающих эффективный механизм разрушения скальных блочных массивов взрывом скважинных зарядов, для получения качественной горной массы на карьерах строительных материалов Украины.

Существует ряд промышленных ВВ на основе конверсионных ВМ, применение которых не обеспечивает необходимую эффективность разрушения горных пород.

На основании представленных в работе аналитических исследований установлено, что повышение эффективности применения конверсионных ВМ достигается созданием условий, обеспечивающих протекание детонации в скважинном заряде по механизму горячих точек. Оценено влияние ударного импульса, формируемого конверсионными ВМ, на процесс разрушения горной породы в зоне откольных разрушений.

Показано, что использование бризантных конверсионных ВМ в блочных массивах ведет к увеличению объема разрушений за счет откольных явлений.

Проведены экспериментальные исследования по определению зависимости взрывчатых характеристик конверсионных ВМ с различными энергетическими характеристиками от их гранулометрического состава и соотношения компонентов.

Обосновано для разработанных рецептур ВВ химическую совместимость используемых конверсионных ВМ между собой и флегматизирующими добавками.

Предложено для мелкоблочных массивов использование при формировании скважинных зарядов композиций, состоящих из пироксилиновых и баллиститных порохов с содержанием пироксилинового пороха не ниже 50 % и насыпной плотностью не менее 0,75 г/см3.

Для крупноблочных массивов предложено использование композиций из баллиститных порохов и бризантных ВВ с содержанием бризантного ВВ в пределах 30-35 % или монолитных зарядов из баллиститного твердого ракетного топлива.

Показано, что снижение чувствительности ВВ на основе конверсионных ВМ к механическим воздействиям обеспечивается использованием поверхностной флегматизации водой и водомасляными составами в объеме 4-6 % от общей массы заряда.

Промышленные испытания выбранных рецептур проведены на карьерах строительных материалов Житомирской, Тернопольской и Ивано-Франковской областей предприятиями “Западукрвзрывпром”, “Западдорвзрывпром”, “Сарнывзрывпром”, “Укрдорвзрывпром”. Внедрение результатов работы позволило получить расчетный экономический эффект в сумме 2850 тыс. грн. (по ценах декабря 2004 года).

Ключевые слова: конверсионные взрывчатые материалы, детонация, механизм разрушения, инициирующий импульс, блочный массив, химическая совместимость.

ANNOTATION

Shcherban V.V. Raising efficiency of destruction of mountain rocks by convertion explosive materials. - Manuscript.

Dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.15.11.-The physical processes of mountain production - National research institute of labour protection. - Kiev, 2005.

Dissertation work is devoted to development of downhole charges from convertion explosive materials, providing the effective mechanism of destruction of rock sectional massifs, for the receipt of high-quality mountain mass on the careers of building materials of Ukraine.

It is set on the basis of the analytical researches represented in work, that detonation in convertion explosive materials flows on the mechanism of hot points. Action of shock impulse formed by convertion explosive materials on the process of destruction of mountain -rock in the area of broken destructions is appraised.

It is offered for small-sectional massifs to use for forming of downhole charges compositions, consisting of pyroxylin and ballistite powders with maintenance of pyropowder not below 50 % and bulk density no less than 0,75 г/см3.

For large-sectional massifs maximal efficiency is achieved at application of composition from ballistite powders and blasting explosives with maintenance of blasting explosives within the limits of 30-35 % or monolithic charges from ballistite hard rocket fuel.

It is offered to reduce a sensitivity to mechanical actions by the use of superficial phlegmatization by water and water-oil compositions.

The industrial tests of the chosen compounding are conducted on the careers of building materials of Zitomer, Ternopol and Ivano-Francovsk regions by enterprises of "Zapadukrvzryvprom", "Zapaddorvzryvprom", "Sarnyvzryvprom". Introduction of the results of work is allowed to get an economic effect in a sum 2850 thousands of grn. (in prices December, 2004).

Keywords: convertion explosive materials, detonation, mechanism of destruction, initiating impulse, sectional massif, chemical compatibility.

Размещено на Allbest.ru