ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 1995 года по МПК F42D1/20 E21C37/00 

Изобретение относится к области горных работ и предназначено для упрощения изготовления предохранительных зарядов, повышения их прочности и регулирования дробления в шахтах, опасных по газу или пыли.

Для отбойки горных пород в шахтах, опасных по газу или пыли, применяют предохранительные взрывчатые вещества (ВВ) во избежании возгорания или взрыва в шахтной атмосфере. Существует два принципа составления рецептуры таких веществ. Во-первых, используют вещества с низкими детонационными характеристиками, включая температуру взрыва, которая является основным параметром, влияющим на возгорание газов и взвесей пыли, содержащихся в шахтной атмосфере, во-вторых, бризантные высокочувствительные взрывчатые вещества, в которые введен пламягаситель. Наиболее распространен второй принцип, т.к. низкобризантные ВВ имеют и низкую чувствительность, из-за которой возрастает опасность выгорания зарядов.

В качестве пламягасителей используют соли, например NaCl, CaCl₂, KNO₃ и т. д. , а также их растворы и раствор аммиачной селитры. Пламягасящие соли могут либо заранее вводиться в заряд, либо получаться в ходе химической реакции при взрыве.

Существуют две конструкции предохранительных зарядов: во-первых, пламягаситель вводится в состав ВВ, во-вторых, пламягасящая конструкция выполняется в виде оболочки для ВВ. Важное преимущество зарядов второго типа заключается в том, что пламягасящая соль в меньшей степени участвует во взрывчатом превращении и, следовательно, в меньшей степени ослабляет волны напряжений, генерируемые этими зарядами. В то же время по своим предохранительным свойствам, определяемым влиянием частичек пламягасителя на взрывные газы, они сравнимы между собой. В США даже считается, что заряды с защитной оболочкой обладают более высокими предохранительными свойствами, чем заряды обычной конструкции (Барон В.Л., Кантор В.Х. Техника и технология взрывных работ в США. М.: Недра, 1989).

В качестве примера такого заряда можно привести предохранительный патрон [1] , состоящий из внутренней и наружной оболочек, размещенных друг в друге с зазором. Во внутренней оболочке находится ВВ пониженной работоспособности. Зазор между оболочками заполнен гидратом пламягасящего газа.

Известно также устройство дробления залежей полезных ископаемых [2], имеющее кольцевую внутреннюю камеру, для ВВ и детонатора, и наружную камеру для вещества, обеспечивающего рассеивание тепла и искрогашение (например, водный раствор хлористого магния).

Выпускались патроны в предохранительных оболочках ПВП-1-У, ПВП-1-А и СП-1 (Поздняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания. М.: Недра, 1977). Патрон ПВП-1-У состоял из центрального заряда аммонита ПЖВ-20 диаметром 27-28 мм и оболочки, которая включала в себя две ампулы с толщиной стенок 0,8-1,2 мм, два центрирующих кольца для жесткости и крышку. Межампульное пространство шириной 4-5 мм заполнялось 50-65% -ным раствором аммиачной селитры и пенообразователем (0,3-0,5%). Раствор аммиачной селитры увеличивал фугасное действие взрыва и выполняя роль дополнительного пламягасителя. Общая масса пламягасителя, считая хлористый натрий в составе ПЖВ-20 и раствор аммиачной селитры, составляла около половины массы ВВ. Этот заряд принят нами за прототип.

Недостатки зарядов пламягасящими оболочками - недостаточная прочность, сложность изготовления, нерегулируемые свойства зарядов, не позволяющие достаточно эффективно управлять дроблением.

Цель изобретения - создание предохранительных зарядов ВВ, обладающих достаточной механической прочностью, простых и недорогих, позволяющих регулировать процесс и дробление отбиваемых пород и углей.

Для достижения этой цели в предохранительном заряде, содержащем ВВ и пламягасящую конструкцию, размещают пламягасящую конструкцию в центре заряда. Ее поверхность должна иметь акустический импеданс, больший, чем импеданс окружающего ее взрывчатого вещества.

Предлагаемое решение основано на следующих эффектах. Установлено, что объем области разрушения определяется соотношением между максимальным растягивающим напряжением в волне напряжений, генерируемой зарядом ВВ, и пределом прочности разрушаемой породы (Ханукаев А.Н. Физические процессы при отбойке горных пород взрывом. М.: Недра, 1974).

Дробящее действие волн напряжений определяется величиной показателя дробления, представляющего собой интеграл от квадратов скоростей изменения главных деформаций по времени действия волн в пределах области разрушения (Цирель С.В. Критерии разрушения при расчетах параметров буровзрывных работ по оценкам волн напряжений/ Сб.:Разрушение горных пород. СПб., 1991).

До настоящего времени принято считать, что скорость затухания волн напряжений с расстоянием определяется диаметром заряда ВВ, или точнее, диаметром условного заряда, имеющего равный тротиловый эквивалент с фактическим зарядом (Боровиков В.А., Ванягин И.Ф. Моделирование действия взрыва при разрушении горных пород. М.: Недра, 1990). Однако анализ экспериментальных данных и расчеты показали, что главную роль в затухании волн напряжений играет не тротиловый эквивалент заряда, а время до начала разгрузки зарядной полости. Пропорциональность времени до разгрузки полости и тротилового эквивалента наблюдается только для геометрически подобных зарядов. Действи- тельно, расчеты и эксперименты (Ермолаев И.Ю. Определение параметров уступной отбойки при селективной разработке сложноструктурных месторождений. Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Л.: ЛГИ, 1989) показали, что на скорость затухания волн напряжений от цилиндрических зарядов большое влияние оказывает их длина. Особо следует отметить конструкции зарядов с центральной вставкой. Расчеты показывают, что длительность расширения полости определяется характером отражения волны от вставки. Если отражается волна сжатия (в рамках акустического приближения это соответствует большему значению акустического импеданса вставки, чем импеданс ВВ), то длительность волны увеличивается, если же отражается волна растяжения, то длительность волны сокращается (Макарьев В.П., Нефедов М.А., Деев Е.А. и др. Измерения сейсмовзрывных волн в массиве при взрыве зарядов ВВ постоянной энергии и переменного диаметра/Сб.: Взрывное дело, N 85/42, 1983, с.124-127; Комир В.М., Кузнецов В.М., Воробьев В.В. и др. Повышение эффективности действия взрыва в твердой среде. М.: Недра, 1988, с. 208). Установлено, что заряд ВВ, центральная часть которого заменена на вставку из бетона (до 70% массы ВВ), создает практически такую же волну напряжений, что и сплошной заряд такого же размера. Центральная часть заряда заменялась на мягкий материал (кислый двууглекислый аммоний), и, несмотря на сохранение общей массы заряда и увеличение объема газообразных продуктов и длины заряда, улучшения дробления не наблюдалось. При использовании предлагаемой конструкции достигается следующий результат.

Снижается общая масса используемого ВВ, что обеспечивает экономию дорогих предохранительных ВВ.

Снижается общая масса используемых ВВ обеспечивает понижение опасности воспламенения газа или пыли.

Регулирование размера и акустического импеданса пламягасящей конструкции позволяет менять соотношение между интенсивностью и длительностью волны напряжений и действием продуктов взрыва, которое зависит от массы ВВ. Это позволяет решать многие задачи, связанные с дроблением, в том числе получение крупнокускового материала. Последнее имеет особое значение при отбойке угля, так как стоимость угля может меняться в 2-3 раза в зависимости от сортности (фракционного состава).

Так как пламягасящая конструкция должна обладать высоким акустическим импедансом, то она должна быть достаточно жесткой, что в сочетании с самой конструкций (выполнение пламягасящей конструкции в виде центральной вставки, а не оболочки) обеспечивает более высокую механическую прочность таких зарядов и более простую технологию изготовления.

Так как взрывчатый слой непосредственно соприкасается с разрушаемым массивом, а действие пламягасящих частиц сказывается только после его разрушения, то ослабляющее действие пламягасителя на волну напряжений будет минимально.

Пламягаситель, выполненный в виде единой массы в центре заряда, будет иметь меньший контакт со взрывными газами, чем диспергированный в составе ВВ. Однако при наличии качественной забойки (ее применение обязательно в шахтах, опасных по газу или пыли, в соответствии c "Едиными правилами безопасности при взрывных работах", М.: Недра, 1976) изменение соотношения между ВВ и пламягасящей конструкцией в пользу последней должно компенсировать сопряжение площади контакта. На это также указывает опыт применения зарядов с пламягасящими оболочками (прототипа).

На фиг. 1-4 приведены варианты реализации изобретения.

В первом варианте (фиг. 1-2) заряд состоит из слоя ВВ 1 и пламягасящей конструкции 2, представляющей собой жесткий сердечник из литых пламягасящих солей - СаСl₂, NaCl, KCl, Na₂SO₄, K₂CO₃, KF, NH₄Cl, KJ, NaAlF₃ и т.д. Эти соли в кристаллическом виде имеют высокий акустический импеданс, превосходящий импеданс предохранительных ВВ.

При необходимости повышения жесткости сердечника (из-за высокого импеданса ВВ или требований к качеству дробления) в пламягасящий сердечник может добавляться инертный дисперсный материал с высокой жесткостью (например, песок). При необходимости увеличения объема взрывных газов могут добавляться вещества, образующие при термическом разложении газообразные продукты, например перхлораты калия или натрия, углекислый аммоний и т.д., обладающие некоторыми ингибирующими свойствами, либо ионообменные пары солей, например NaNO₃ и NH₄Cl.

Второй вариант (фиг. 3-4) также содержит слой ВВ 1 и пламягасящую конструкцию 2, состоящую из гранулированных или порошкообразных пламягасителей, а также их растворов 3, помещенных в жесткую оболочку 4. В этом случае кроме вышеуказанных солей могут использоваться растворы аммиачной селитpы и перхлораты натрия или калия, которые при взрыве образуют тонкодисперсные хлориды металлов, действующие как ингибиторы (Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А. И. Промышленные взрывчатые вещества. И.: Недра, 1988, с. 279), ионообменные пары солей, а также добавки, обеспечивающие увеличение объема взрывных газов. Оболочка изготавливается из материалов, обладающих более высоким акустическим импедансом, чем периферийный слой ВВ, например из композитных материалов, стекла и т.д. Выбор материала оболочки производится в соответствии с акустическим импедансом применяемого ВВ и требуемым качеством дробления. Толщина оболочки подбирается таким образом, чтобы выполнялся закон несоответствия импедансов. Прочность оболочки не должна быть слишком велика, так как основное перемешивание продуктов взрыва и пламягасителя происходит только после ее разрушения. Для ускорения процессов перемешивания и разрушения оболочки в ней может проделываться серия отверстий.

Работа предлагаемого заряда осуществляется следующим образом.

После взрыва периферийного слоя ВВ 1 детонационная волна отражается от пламягасящей конструкции 2. При этом давление в продуктах взрыва увеличивается. Этот процесс повторяется несколько раз, что вызывает увеличение длительности преломившейся в породу волны и снижения скорости затухания ее с расстоянием. Параллельно с этим идет процесс дробления пламягасящего вещества 2 и перемешивания его с продуктами взрыва. Разрушение пламягасящей конструкции и ингибирующее действие частичек пламягасителя прекращают процесс формирования волн напряжений и начинается разгрузка взрывной полости. После вылета забойки из устья взрывной камеры и раскрытия трещин смесь, состоящая из продуктов взрыва и частичек пламягасителя, попадает в шахтную атмосферу. Ввиду высокого содержания пламягасителя смесь имеет низкую температуру, что способствует снижению опасности вспышки газа или пыли в шахтной атмосфере. Также снижение объема продуктов взрыва за счет уменьшения количества ВВ уменьшает выход пылевой фракции, что дополнительно снижает опасность взрыва в шахтной атмосфере.

Применение данной конструкции предохранительных зарядов может дать следующие дополнительные эффекты.

Расчеты показывают, что без существенных изменений длительности и интенсивности взрывной волны может быть заменено до 60-70% ВВ на пламягасящую конструкцию. Также периодические изменения интенсивности волны за счет многократных отражений должны способствовать увеличению скорости изменения деформаций и показателя дробления. Поэтому использование такой конструкции может существенно изменить весовое соотношение между продуктами взрывного разложения и частичками пламягасителя (если в периферийной части находятся предохранительные ВВ, то следует учесть также и пламягаситель, содержащийся в них) в выбрасываемой в шахтную атмосферу массе с 6:1-1,5:1 до 1:1-0,4:1. Поэтому в периферийных частях предлагаемых зарядов могут применяться ВВ с меньшими предохранительными свойствами, чем применяемые в прототипе, а, следовательно, более дешевые и более мощные.

Возможно увеличение диаметра шпуров и расстояний между ними, что сокращает длительность и стоимость бурения и дополнительно увеличивает крупность дробления и сокращает объем переизмельчения.

Сокращение объема переизмельчения обеспечивает снижение запыленности шахтной атмосферы, что улучшает состояние производственной санитарии, упрощает процессы проветривания и уменьшает опасность взрыва угольной пыли.

Предохранительный заряд для отбойки горных пород обладает достаточной механической прочностью, прост в изготовлении и позволяет регулировать дробление горных пород и углей. Заряд содержит взрывчатое вещество и пламягасящую конструкцию, размещенную в центре заряда. Поверхность пламягасящей конструкции имеет больший акустический импеданс, чем окружающее ее пламягасящее вещество. 4 ил.

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ ОТБОЙКИ ГОРНЫХ ПОРОД, содержащий взрывчатое вещество и пламягасящую конструкцию, отличающийся тем, что пламягасящая конструкция размещена в центре заряда, а ее поверхность имеет акустический импеданс больший, чем импеданс окружающего ее взрывчатого вещества.