физика. Гоувповоронежский государственный университет
 Скачать 2.2 Mb.
|
|
l шп = (0,7-0,9)В где В — ширина выработки, м. Формулу используют для проверки максимальных глубин шпуров полученных другими способами. Минимально допустимая глубина шпура принимается равной 0,5 м. В шпурах меньшей глубины резко снижается эффективность использования взрывчатых веществ. Для наклонных шпуров дополнительно рассчитывается длина, которая необходима для определения общей длины буров для перфоратора (рис. 16). l шп L шп Рис. 16. Соотношение длины и глубины шпура. Длину шпура можно рассчитать по формуле L шп = l шп : sin 3. ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ГОРНОРАЗВЕДОЧНЫХ ВЫРАБОТОК Разработка новых эффективных и экономичных способов проведения горно- разведочных выработок — одно из основных направлений технического прогресса. Взрывной метод характеризуется высокой производительностью и экономичностью, по- этому он нашел широкое применение при проведении горно-разведочных выработок, осо- бенно в условиях скальных пород. Вместе с тем проведение горно-разведочных выработок взрывным способом требует от исполнителей достаточно высокой теоретической и прак- тической подготовки в области управления энергией взрыва. Разнообразие горнотехнических условий и физико-механических свойств горных пород создает определенные трудности при проведении горно-разведочных выработок, что лишний раз доказывает необходимость глубоких знаний в области взрывного дела у руководителя таких работ. На практике технология ведения буровзрывных работ при про- ведении горно-разведочных выработок мало чем отличается от условий проведения выра- боток при разработке месторождений полезных ископаемых. Однако при проведении гор- 34 но-разведочных выработок необходимо учитывать те их особенности, которые связаны с возможными изменениями физико-механических свойств горных пород и направлением проведения таких выработок. Поэтому, прежде чем перейти к технологическим вопросам проведения горно-разведочных выработок, необходимо дать основные понятия о взрыве и ВВ, рассмотреть виды химических реакций и процессы, протекающие при взрывчатом превращении. 3.1. Понятие о взрыве и взрывчатых веществах Впервые задача физической сущности взрыва была поставлена М. В. Ломоносо- вым. В работе «О природе и рождении селитры», написанной в 1748 г., он дает определе- ние взрыва как очень быстрого выделения значительного количества энергии и большого объема газов. В современной интерпретации взрывом называют процесс быстрого сверх- звукового физического или химического превращения вещества за счет прохождения по нему детонационной волны, сопровождающейся переходом потенциальной энергии этого вещества или продуктов его превращения в кинетическую. Существуют три формы хими- ческих превращении ВВ: медленное химическое превращение, горение и детонация. Медленное химическое превращение протекает при низких температурах по всему объему вещества. При горении передача тепла от слоя к слою происходит в результате теплопроводности. Скорость горения может быть от долей сантиметра до десятков метров в секунду. Взрыв, распространяющийся с постоянной и максимальной для данного ВВ скоростью, называют детонацией Взрывчатыми веществами называют смеси и химические соединения, способные под влиянием внешнего воздействия (нагрева, удара, трения и т. д.) взрываться, т. е. чрез- вычайно быстро превращаться в другие соединения с образованием большого количества тепла и газов. Следовательно, взрывчатое превращение — это быстро протекающая в ВВ химическая в основном окислительная реакция, сопровождающаяся образованием боль- шого количества газов и значительным выделением тепла, в результате чего газы нагре- ваются до высокой температуры и в месте нахождения ВВ развивается высокое давление. Скорость взрывчатого разложения внутри заряда ВВ может быть разной и в значи- тельной степени определяет разрушительное действие взрыва на окружающую среду. Ха- рактерный признак ВВ — наличие в его составе всех необходимых для протекания реак- ций окисления элементов. Взрывчатые вещества подразделяются на химические соедине- ния, в молекулах которых содержатся горючие элементы и окислитель, и смесевые, пред- ставляющие механическую смесь твердых, жидких или газообразных компонентов. Наибольшее распространение получили взрывчатые смеси из твердых веществ Свойства ВВ 35 Работоспособность ВВ - характеризует способность взрывчатого вещества произ- водить механическую работу по разрушению и отрыву породы от массива.Она зависит от объема газов и количества тепла, образующегося при взрыве. Практически работоспособ- ность ВВ определяют взрывом заряда весом 10 Г в свинцовой бомбе. О работоспособно- сти судят по изменению объема канала бомбы в кубически? сантиметрах. Например, ра- ботоспособность ВВ в 370 см 3 говорит о том, что объем канала бомбы после взрыва навески данного ВВ в 10 Г увеличился на 370 см 3 Бризантность ВВ - характеризует способностью взрывчатого вещества производить дробящее действие (дробление породы на большие или меньшие обломки). Зависит она, главным образом, от скорости взрыва. О бризантности судят по величине усадки свинцо- вого цилиндра в результате взрыва навески ВВ в 50 Г. Бризантность выражается в мм. Чувствительность ВВ - это степень их восприимчивости к различным внешним воздействиям: тепловому (огонь, искре, повышение температуры), механическому (удар, трение), а также к передаче детонации. Это чрезвычайно важное свойство обусловливает основные меря безопасности при обращении с взрывчатыми материалами, особенно при их перевозке и хранении. Способность взрывчатых веществ к передаче детонации ис- пользуется не только в самих взрывных работах, но и при испытании ВВ для определения их качества. Чувствительность ВВ к различной воздействиям зависит от природы взрывчатого вещества, физического состояния, температуры, плотности, влажности, наличия приме- сей и т.д. Чувствительность ВВ может быть повышена или понижена за счет добавок со- ответствующих веществ. Кумуляция. Эффект этого явления подобен выпуклой линзе, фокусирующей свет. Если заряд на своем торце имеет выемку подобной формы, то при взрыве он способен оказывать усиленное действие в направлении фокусирования. При этом не происходит суммарного увеличения энергии, и лишь концентрация ее (подобно швейной игле, на кончике которой при небольшом усилии на небольшую площадь ткани возникает мощное давление). Такое направленное действие заряда называется кумулятивным. Оно объясня- ется тем, что при взрыве заряда, имеющего кумулятивную выемку в торце, противопо- ложном детонатору, взрывные газы части заряда, прилегающей к выемке, разлетаясь вначале по нормали к поверхности выемки, встречаются на ее оси и образуют мощную тонкую кумулятивную струю. Скорость кумулятивной струи намного превышает скорость детонации, достигая 10 000-12 000, а иногда и 30 000 м/сек, а давление превышает 100 000 кГ/см 2 , чем и объясняется ее пробивное действие. На эффективность кумулятивного действия оказывают влияние скорость детонации заряда, форма и размер выемки, обо- лочка выемки и расстояние заряда от преграды. Чем больше скорость детонации, тем 36 сильнее кумулятивный эффект. Наилучшими будут конические и полусферические формы выемки. Картонная оболочка выемки ухудшает, а стальная улучшает кумулятивный эф- фект. Кислородный баланс. Относительная доля кислорода в составе ВВ, является их важным показателем, так как от этого зависит качественный состав, образующихся при взрыве газов, в том числе и появление ядовитых. К последним относятся угарный газ – СО и окислы азота. Чистый азот и углекислота не относятся к ядовитым газам, но повы- шенное их содержание снижает относительную долю кислорода, нормальное содержание которого для человека в обычных условиях составляет около 21%. Поэтому в подземных выработках применяют ВВ с так называемым нулевым кислородным балансом. В них кислорода достаточно для полного окисления углерода и превращения его в углекислоту, но не слишком много, чтобы окислять азот. При недостатке кислорода ВВ имеют отрица- тельный баланс, а при избытке – положительный. 3.2. Классификация ВВ по составу компонентов Промышленные ВВ представляют собой в основном смеси природных взрывчатых веществ и добавок. Последние меняют свойства ВВ, так, чтобы обеспечить их эффектив- ность и безопасное обращение с ними в определенных условиях применения, например во влажных условиях забоя выработки, или в шахтах, опасных по газу и пыли. Большинство взрывчатых химических веществ представляет собой химические соединения из углерода, кислорода, водорода и азота в различных соотношениях, то есть элементов - окислителей и восстановителей, которые при энергетическом инициировании (получении дополни- тельной энергии из вне) способны вступать между собой в быстропротекающую реакцию. Нитроглицериновые ВВ К ним относятся динамиты, детониты, победиты, в основе которых имеются нит- роглицерин или нитроглицерин с нитрогликолем. Н и т р о г л и ц е р и н С 3 Н 5 (NO 3 ) 3 - жидкое маслянистое ВВ слегка желтоватой окраски. Нитроглицерин ядовит - проникая через кожу в органы дыхания в организм, вызнает сильные головные боли и сердцебиение.. Он весьма чувствителен к огню и меха- ническим воздействиям. Горение нитроглицерина зачастую переходит во взрыв. Работо- способность его составляет 550 см 3 , бризантность - 20 мм, скорость детонации непосто- янна и колеблется от 1165 до 9150 м/сек. Нитроглицерин имеет очень большой недостаток - замерзает при температуре +13°. Замерзший нитроглицерин особенно опасен в обращении. Температуру замерзания можно значительно снизить с помощью добавок нитро-гликоля. 37 Нитроглицерин, из-за большой опасности в обращении с ним, самостоятельно для взрывных работ не используется, но входит, как один из компонентов, в состав многих взрывчатых веществ. Н и т р о г л и к о л ь С 2 Н 4 (NO 3 ) 2 - представляет собою бесцветную прозрачную жидкость, работоспособность равна 650 см 3 , бризантность-30 мм, скорость детонации - 8300 м/сек, температура замерзания равна минус 22,6°. Он легко смешивается с нитро- глицерином и понижает температуру замерзания последнего. Нитрогликоль по сравне- нию с нитроглицерином менее чувствителен к механическим воздействиям, однако в ка- честве промышленного ВВ в чистом виде также. не применяется Динамиты - это смесь нитроглицерина, нитрогликоля с поглотителями - древесной мукой, калиевой, натриевой или аммиачной селитрой и т.д. Для повышения химической стойкости динамитов в их состав, в качестве стабилизаторов, вводят небольшие добавки мела или соды. Качества динамитов в значительной мере определяются свойствами ос- новного компонента - нитроглицерина. Так, например, температура замерзания обычного динамита равна +10°. Замерзшие динамиты очень опасны в обращение применять их для взрывных работ нельзя, запрещается такая разминать их, ломать, резать, сникать бумаж- ную оболочку. Оттаивание динамитов, как правило, производится в ящиках в отапливае- мом помещении при температуре порядка +20° или в специальных сосудах- отогревате- лях. Для снижения температура замерзания динамитов в их состав вводят добавки нитро- гликоля, 62% труднозамерзающий динамит имеет температуру замерзания -20°. Цифры в процентах перед маркой динамита свидетельствуют о процентном содержании в нем нит- роглицерина, нитрогликоля или их суммы. Кроме того, динамиты обладают и еще весьма существенными недостатками: при длительном хранении они "стареют", у них проявляется экссудация. Экссудацией называ- ется способность динамитов выделять на поверхности патронов содержащийся в них нит- роглицерин ."Старение" динамитов выражается также и в увеличении их плотности, что приводит к частичной или даже полной потере ими взрывчатых свойств. Эти динамиты становятся столь же опасны в обращении, как и исходные вещества в их чистом виде. Па- троны динамитов с явными признаками экссудации запрещено применять для целей взрывных работ. Отсюда следует, что нарушать сроки и условия хранения нитроглицери- новых ВВ ни в коем случае нельзя. Для большинства изних срок хранения равен 6-8 ме- сяцам. ВВ, срок хранения которых истек, подлежат уничтожению. К достоинству динамитов относят их высокую работоспособность, бризантность и особенно водоустойчивость, что позволяет использовать в породах любой крепости, во влажных и обводненных забоях. 38 Динамиты выпускаются только в патронированном виде. Применяются они срав- нительно редко та как стоимость в 2-3 раза выше стоимости аммиачно-селитренных ВВ, но в ряде случаев их применение более эффективно, чем аммонитов. Детониты - это промышленные ВВ, в состав которых входят нитроглицерин /от 6 до 15%) и аммиачная селитра. Они могут применяться для взрывных работ в самых раз- личных условиях, кроме шахт, опасных по газу или пыли. Победиты - промышленные ВВ, в состав которых входят нитроглицерин /в не- большом количестве, аммиачная селитра, тринитротолуол и соль в качестве пламегаси- теля. Добавка в небольшом количестве нитроглицерина не сообщает взрывчатому веще- ству всех отрицательных свойств, присущих динамитам, в то же время она существенно повышает способность к детонации и некоторые другие полезные свойства. Соль вносит- ся для снижения температуры взрыва, что позволяет использовать победиты в выработ- ках, опасных по газу или пыли. Детониты и победиты выпускаются в патронированном виде, по хранению, перевозке и обращению с ними они приравниваются к аммиачно-селитренным ВВ, однако к их химической стойкости предъявляются более высокие требования, чем к аммонитам. Несомненным достоинством детонитов и победитов при всей их гигроскопичности является то обстоятельство, что при увлажнении их они еще некоторое время не теряют восприимчивости к детонации и поэтому могут применяться во влажных забоях. Нитросоединения Нитросоединения в отличие от механических смесей представляют собой химиче- ские взрывчатые вещества, образующиеся в результате взаимодействия органических или неорганических соединений с азотной кислотой в присутствии серной или уксусной кис- лоты. Некоторые ВВ этой группы применяются в качестве добавок к аммонитам /тротил, гексоген/, другие в детонирующих шнурах или в качестве инициирующего ВВ в капсю- лях-детонаторах. В качестве рабочих ВВ, как правило, не применяются. Тротил /тол, тринитротолуол/ С 6 Н 2 (NO 2 ) 3 * СН 3 - представляет из себя порошок или пластинчатые чешуйки желтого цвета. Кроме того, тротил может выпускаться в прес- сованном виде или в виде отдельных литых зарядов. Тротил мало чувствителен к влаге, удару и трению, легко загорается и спокойно горит. Работоспособность его равна 360 см 3 , бризантность 15 мм, скорость детонации 7000 м/сек. При взрыве тротил выделяет много ядовитых газов, поэтому в чистом виде его можно применять только на поверхностных работах. Динитронафталин С 10 Н 6 (NO 2 ) 2 – слабое взрывчатое вещество, представляющее из себя порошок серо- желтого цвета. Употребляется при изготовлении некоторых сортов аммиачно-селитренных рабочих ВВ /динафталит/. 39 Тетрил С 6 Н 2 (NO 2 ) 3 * СН 3 *NO 3 - мелкокристаллическое ВВ бледно-желтого цвета. Его работоспособность равна 380 см 3 , бризантность - 22 мм, скорость детонации – 7200- 7700 м/сек. Тетрил не боится влаги, а по своим взрывным свойствам превосходит тро- тил, но, из-за большой чувствительности к механическим воздействиям, самостоятельно для взрывных работ не применяется. Тетрил обладает большой восприимчивостью к дето- нации и хорошо ее передает другим ВВ. Поэтому его применяют при изготовлении кап- сюлей-детонаторов как вторичное инициирующее ВВ. Тен /пентрит/ С 2 Н 2 (NO 3 ) 4 - кристаллический порошок белого цвета. Работоспособ- ность тэна равна 500 см 3 , бризантность 25-26 мм, скорость детонации – 8200-8700 м/сек. Тен влаги не боится. Применяется он, как и тетрил, в качестве вторичного инициирующе- го ВВ при изготовлении детонаторов, а также, при изготовлении детонирующего шнура. Гексоген С 3 Н 6 (N 4 O 2 ) 3 -кристаллический порошок белого цвета. Гексоген химиче- ски устойчив, не боится влаги, по чувствительности к механическим воздействиям близок к тетрилу, но значительно превосходит его по мощности. Так, работоспособность гексоге- на равна 520 см 3 , бризантность - скорость детонации - 8300 м/сек. Применяется для изго- товления детонирующих шнуров, детонаторов /как вторичное инициирующее ВВ/ и неко- торых сортов мощных аммонитов. Гремучая ртуть Нg (СNO) 2 - мелкокристаллическое вещество белого или серого цвета. Сухая гремучая ртуть весьма чувствительна к огню и механическим воздействиям. При взрыве наносит сильный и резкий удар по окружающей среде. Поэтому она применя- ется в качестве первичного инициирующего ВВ при изготовлении детонаторов. Гремучая ртуть не очень чувствительна к влаге, но при длительном хранении под водой впитывает ее до В055. Такая гремучая ртуть от огня и удара не взрывается, но .может взорваться от взрыва сухой гремучей ртути. В присутствии влаги гремучая ртуть способна взаимодействовать с некоторыми материалы, образуя весьма опасные взрывча- тые соединения – фульминаты. Особенно легко она реагирует с алюминием, потому ее никогда не помещают в алюминиевые гильзы. Детонаторы с гремучей ртутью помещают в картонные гильзы и реже - в медные или латунные. Азид свинца Pb (N 3 ) 2 - мелкокристаллический порошок белого цвета. Влаги он не боится и при ее содержании до 30% не теряет своих взрывных свойств. Азид свинца менее чувствителен к огню и механическим воздействия, чем грему- чая ртуть, однако по своей мощности превосходит последнюю. Он также применяется в качестве первичного инициирующего ВВ при изготовлении капсюлей-детонаторов. В присутствии влаги и углекислоты азид свинца легко взаимодействует с медью; с железом он взаимодействует с трудом, а с алюминием не взаимодействует вовсе. По этой 40 причине детонаторы с азидом свинца изготавливают в алюминиевых и картонных гильзах. В медные гильзы азид свинца помещать нельзя. ТНРС /тенерес/ С 6 Н(NO 2 ) 3 * PbO 2 H 2 O - это кристаллическое вещество золотисто- желтого цвета, темнеющее на воздухе. Тенерес в несколько раз слабее азида свинца и гремучей ртути. Но к огню он очень чувствителен и небольшая его доза поверх заряда азида свинца гарантирует безотказный взрыв азидного детонатора и от пламени огнепро- водного шнура и от электровоспламенителя. Аммиачно- селитренные ВВ Взрывчатые вещества этой группы представляют собой механические смеси амми- ачной селитры /свыше 50% по весу/ с другими взрывчатыми и невзрывчатыми вещества- ми. Они подразделяется на аммониты, аммоналы и динафталиты. Аммиачная селитра NH 4 NO 3 - белый кристаллический порошок. При температу- рах -16° и +32° происходит перекристаллизация аммиачной селитры, сопровождаемая спеканием, в результате чего она из рыхлой превращается в плотную, комковатую массу. Аммиачная селитра очень гигроскопична и легко растворяется в воде. При дли- тельном хранении, особенно в условиях временной влажности, происходит ее слеживание. Аммиачная селитра является не только носителем кислэрода но и взрывчатым ве- ществом. При достаточно сильном первоначальном импульсе она может взрываться. Ини- циирование происходит взрывом промежуточного патрона аммонита, вес которого дол- жен составлять от 5 до 20% от веса селитры. Работоспособность ее равна 200 см 3 , бри- зантность - 1,5 мм, скорость детонации – 1500-3000 м/сек. Аммониты - это смеси аммиачной селитры и взрывчатых нитросоединений с го- рючими добавками. В качестве нитросоединения чаще всего применяется тротил, кото- рый, в той или иной мере, входит в большинство различных марок аммонитов. Аммониты повышенной мощности дополнительно могут содержать добавки гексогена или ТЭНА. В качестве горючих, но невзрывчатых добавок чаще всего применяется древесная мука, Свойства аммиачной селитры, как основного компонента аммонитов, во многом определяют и свойства последних. Большинство аммонитов рядовых марок обладают вы- сокой гигроскопичностью, способностью к спеканию и слеживанию. Такие аммониты применять во взрывных работах нельзя, они могут давать отказы, или неполный взрыв, переходящий, в ряде случаев в простое горение. Количество ядовитых газов при недостаточности взрыва резко возрастает, что со- здает дополнительные трудности при производстве вентиляционных работ в условиях подземных выработок. Для уменьшения гигроскопичности аммонитов в состав марок вводят небольшие /до 1%/ добавки парафина, жирных кислот, содей стеариновой кислоты и т.п. Кроме того, 41 парафинируют тонким слоем, с заворачиванием в парафинированную или пергаментную бумагу, все патроны аммонита. Аммониты выпускаются в прессованном, патронированном и рассыпном виде. Они отличаются невысокой стоимостью и безопасностью в обращения, тик как мало чув- ствительны к огню, трению и удару. Взрывчатые свойства аммонитов зависят не только от их состава, но и от способа изготовления. Некоторые марки аммонитов по основным своим показателям работоспособность, бризантность, скорость детонации и т.д./ не уступают динамитам, а по работоспособно- сти превосходят и 62%динамит. Для уменьшения теплоты и температуры взрыва в состав аммонитов вводят добав- ки поваренной соли и хлористого калия. Такие аммониты называются предохранительны- ми, что позволяет их использовать в выработках, опасных по газу, угольной и серной пы- ли или по парам нефти и бензина. Все это привело к тому, что в настоящее время аммонита получили преимуще- ственное распространение при всех видах взрывных работ. Аммоналы - состоят ив аммиачной селитры /до 70%/, взрывчатых нитросоедине- ний и порошка алюминия или ферросилиция /до 16%/ . Отличаются они довольно высо- кой работоспособностью и влагоустойчивостью. Остальные свойства во многом напоми- нает свойства обычных аммонитов. Динафталиты - это также аммиачно- селитренные ВВ, в состав которых входит динитронафталин. В отличие от аммонитов они негигроскопичны и не слеживаются, что является их весьма ценным свойством. Все аммиачно-селитренные ВВ имеют гарантийный срок хранения не свыше 6 ме- сяцев. На исходе срока хранения, а также случае возникновения сомнения в их доброка- чественности аммиачно-селнтренные ВВ должны подвергаться испытаниям на полноту взрыва, на передачу детонация и на влажность. Аммиачно-селитренные ВВ, пришедшие в негодность, должны уничтожаться. По характеру воздействия на окружающую среду ВВ делятся на две группы: бри- зантные (дробящие) и метательные (пороха). Среди бризантных ВВ в особую группу вы- деляют обладающие высокой чувствительностью инициирующие ВВ, которые применяют для изготовления средств инициирования — капсюля-детонатора (КД), электродетонатора (ЭД) и детонирующего шнура (ДШ). Для изготовления средств инициирования, применя- емых в горной промышленности, используют гремучую ртуть, азид свинца, тенерес, тет- рил, гексоген, тэн. |