Оценка предохранительных свойств гранулитов и возможности снижения последствий горного удара при их взрывном использовании

УДК 622.235.213.42:622.831.325

Е.А. Петров, Е.А. Ерамасов

ФГУП ФНПЦ «Алтай»

В.Н. Таекин, И.В. Тимошин, А.В. Зыков

ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса»

Оценка предохранительных свойств гранулитов и возможности снижения последствий горного удара при их взрывном использовании

Проведена оценка термодинамических характеристик детонации и предохранительных свойств гранулитов, применяемых на угольных разрезах Юга Кузбасса. Даны рекомендации по снижению пикового давления и температуры продуктов взрыва гранулитов при их взрывном использовании

В настоящее время выемка руд открытым способом ведется все с большей глубины и в ряде случаев соседствует с подземными выработками. При этом увеличиваются газоносность, температура, скопление метана в трещинах и пустотах породы и как следствие увеличивается вероятность вспышки метана. Такую вспышку может вызвать горный удар и последующее разрушение соседних горнодобывающих объектов. Одним из путей снижения горных ударов является применение для скважинного взрывания предохранительных или других более щадящих взрывчатых веществ (ВВ). Такие ВВ имеют ограниченную температуру и скорость детонации, не содержат в продуктах взрыва инициаторов воспламенения метана: кислорода, окислов азота, твердых раскаленных частиц металла и его окислов. Чем выше класс предохранительных ВВ, тем ниже скорость детонации и температура взрыва. В работе проведена оценка предохранительных свойств гранулитов, применяемых ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса», и установлена возможность снижения последствий горного удара при их использовании.

В таблице 1 приведены экспериментальные и расчетные характеристики ВВ. По теплоте и температуре взрыва ВВ, применяемые ОАО «Взрывпром Юга Кузбасса» на угольных карьерах в районе г. Междуреченска, соответствуют предохранительным ВВ III класса. Не содержат в составе металлических горючих. Самую низкую температуру продуктов взрыва и скорость детонации имеет состав Д-5. Недостатком его является положительный кислородный баланс и как следствие этого наличие в продуктах взрыва свободного кислорода, окислов азота, а также большого количества ядовитых газов в пересчете на СО (VCo). Такая картина (но в меньшей степени) наблюдается и для состава УП-1Б. Остальные ВВ не содержат в продуктах взрыва свободного кислорода и оки-

слов азота. Составы ТК и ТК3 имеют самую высокую скорость детонации, что снижает их предохранительные свойства, т.к. ударная волна, если она не гасится в процессе расширения или совершения работы, является одним из основных источников воспламенения метана. Другие ВВ занимают промежуточные значения.

Таблица 1 - Характеристики штатных предохранительных ВВ и гранулитов

Наименование ВВ Кислородный баланс, % Температура взрыва, °С Теплота взрыва, ккал/кг Скорость детонации, м/с Vco, л/кг

Гранулит Д-5 +2,1 2410 840 2500 179

Гранулит УП-1Б +0,3 2470 930 3100 6

Гранулит НМ-1 -2,0 2530 910 2900 28

Гранулит М-1 -0,17 2580 930 3400 2

Гранулит ТК-10 -0,4 2690 980 4000 6

Гранулит ТКЗ-15 -7,2 2600 910 3900 102

Аммонит АП-5ЖВ -0,02 2500-2520 900-933 3600-4600 0,1-0,3

Аммонит ПЖВ-20 +0,32 2220-2230 810-820 3500-4300 15-18

Угленит Э-6 +0,53 1700-1790 640-700 1800-2500 20-25

Анализ результатов и дальнейшие расчеты показали, что путем корректировки рецептур в сторону увеличения отрицательного кислородного баланса до минус 7% снижаются теплота взрыва на 90-170 ккал/кг и температура взрыва на 30-480оС. При этом степень снижения термодинамических характеристик зависит от кислородного баланса штатного ВВ и от теплоты образования горючего компонента, за счет которого достигается его изменение. Чем ближе кислородный баланс штатного ВВ к нулевому и чем больше теплота образования горючего, тем ощутимее эффект.

В таблицах 2-5 приведены результаты расчетов по оптимизации составов, направленные на снижение температуры взрыва.

Таблица 2 - Характеристики гранулита Д-5 в зависимости от кислородного баланса

Наименование показателя Содержание компонентов, %, и значения показателей

1 2 3 4 5

Аммиачная селитра 94,0 92,0 91,5 91,0 92,0

Дизельное топливо 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Угольный порошок 4,0 5,5 5,5 5,5 4,0

Теплота взрыва, ккал/кг 840 870 850 720 854

Объем газа, л/кг 950 970 980 990 897

Кислородный баланс, % +2,1 -3,6 -5,4 -7,2 -5,1

Температура взрыва, оС 2410 2490 2420 2130 2480

Состав продуктов взрыва, %: - Н2О 46,8 47,4 47,7 48,2 48,7

- CO2 17,9 13,9 10,6 7,1 10,0

- N2 31,0 32,3 32,1 31,9 32,3

- CO - 6,3 9,4 12,6 9,0

- NO 4,0 - - - -

Veo, л/кг 179 51 75 101 71,8

Таблица 3 - Характеристики гранулитов УП-1Б, М-1 и НМ-1 в зависимости

от кислородного баланса

Наименование показателя Содержание компонентов, %, и значения показателей

УП-1Б М-1 НМ-1

1 2 1 2 3 1 2 3

Аммиачная селитра 93,0 92,0 94,5 92,5 93,5 94,0 92,0 93,0

Дизельное топливо 1,5 2,5 5,5 7,5 6,5 - - -

Угольный порошок 5,5 5,5 - - - - - -

Индустриальное масло - - - - - 6,0 8,0 7,0

Теплота взрыва, ккал/кг 930 870 930 830 880 910 820 860

Объем газа, л/кг 940 970 1000 1020 1000 990 1030 1010

Кислородный баланс, % +0,3 -3,6 -0,17 -7,5 -3,8 -2,0 -8,6 -5,8

Температура взрыва, оС 2470 2490 2580 2340 2460 2530 2300 2380

Состав продуктов взрыва, %: - Н 2 О 46,4 47,4 50,1 51,9 51,0 50,5 52,4 51,5

- СС>2 20,8 13,9 16,5 2,5 9,5 13,0 - 5,9

- Ы2 32,5 32,3 33,1 32,4 32,7 32,9 32,2 32,6

- СС - 6,3 0,3 13,2 6,7 3,5 15,1 10,1

- С - - - - - - 0,3 -

- N0 0,13 - - - - - - -

Усс, л/кг 6,2 50,7 2,4 105,3 53,9 28,2 120,5 80,8

Таблица 4 - Характеристики гранулитов ТК-10 и ТКЗ-15 в зависимости от кислородного баланса

Содержание компонентов, %, и значения показателей

Наименование показателя ТК-10 ТКЗ-15

1 2 3 4 5 1 2

Аммиачная селитра 86,6 85,0 84,4 83,7 85,0 80,5 79,5

Дизельное топливо 2,0 2,0 2,0 2,0 3,2 1,5 1,5

Угольный порошок 1,4 3,0 3,6 4,3 2,8 1,0 2,0

Тротил 10,0 10,0 10,0 10,0 9,0 15,0 15,0

NaКМЦ (гуаргам) - - - - - 2,0 2,0

Теплота взрыва, ккал/кг 980 920 890 640 870 950 920

Объем газа, л/кг 930 930 960 850 970 930 950

Кислородный баланс, % -0,4 -3,3 -6,1 -15,5 -7,5 -4,6 -7,2

Температура взрыва, оС 2680 2670 2580 2050 2520 2760 2690

Состав продуктов взрыва, %: - Н2О 44,3 42,9 44,3 44,3 45,7 40,2 42,5

- СО2 22,8 19,3 13,4 - 9,6 18,2 13,8

- N2 32,3 31,6 31,4 31,2 31,5 31,0 30,8

- СС 0,8 5,8 10,7 14,1 13,1 8,0 12,7

- С - - - 2,8 - - -

- N20 - - - - - 0,2 0,2

Усс, л/кг 6 47 86 113 105,3 64 102

Таблица 5 - Характеристики НК-Б в зависимости от кислородного баланса

Содержание компонентов, %, и значения показателей

Наименование показателя НК-Б

1 2 3 4

Аммиачная селитра 80,0 76,0 72,0 78,0

Мочевина 20,0 24,0 28,0 22,0

Теплота взрыва, ккал/кг 760 670 590 710

Объем газа, л/кг 970 1000 1020 980

Кислородный баланс, % -1,1 -4,1 -7,1 -2,1

Температура взрыва, оС 2260 1980 1780 2090

Состав продуктов взрыва, %: - Н 2 О 48,0 48,6 49,2 48,3

- СО2 14,6 6,6 - 10,2

- N2 37,2 37,7 38,2 37,5

- СО 0,2 7,1 12,4 3,7

- С - - 0,2 -

Vco, л/кг 2 58 99 29,7

Как видно из таблиц, путем корректировки рецептур для всех ВВ достигается снижение температуры и содержания активных (окисляющих) продуктов взрыва. Однако для каждой рецептуры эффективность корректировки разная. Например, для гранулита Д-5 существенное снижение температуры достигается при увеличении суммарного содержания горючего в составе с 6 до 9%. В то же время для гранулитов М-1 и НМ-1 такой же эффект достигается при увеличении горючего всего на 1-1,5%. Последнее очень важно, так как корректировка рецептуры находится в пределах допусков в соответствии с технологическим регламентом на их изготовление. При этом предохранительные свойства ВВ существенно возрастают. Согласно расчету, скорректированные рецептуры Д-5, М-1, НМ-1 по теплоте и температуре взрыва приближаются к ВВ IV класса предохра-нительности. Важно отметить, что при увеличении отрицательного кислородного баланса ВВ скорость детонации снижается. Это также способствует повышению предохранительных свойств скорректированных ВВ. Расчеты также показали, что корректировку составов эффективнее проводить за счет увеличения дозировок дизельного топлива или индустриального масла, чем за счет угольного порошка.

Для состава ТК снижение теплоты и температуры взрыва достигаются при увеличении суммарного содержания горючего в составе более чем на 3%, но при этом увеличивается содержание вредных газов сверх допустимого. По технике безопасности при подземных разработках в продуктах взрыва ВВ допускается содержание токсичных газов в пересчете на условную СО не более 80 л/кг. Для ТКЗ этот предел достигается при увеличении содержания горючего всего на 1%, при этом теплота и температура взрыва практически не снижаются.

В таблице 5 приведены расчетные данные для ВВ марки НК-Б. В состав НК-Б входит мочевина, теплота образования которой в 2,2 раза выше, чем для дизельного топлива, и в 3,1 раза выше, чем для угля. По данным расчетов, мочевина в составе выполняет функции не только горючего, но и охладителя продуктов взрыва. В результате этого температура взрыва состава НК-Б соответствует уровню температур для ВВ IV класса предохранительности. Следует также отметить, что промежуточные продукты разложения мочевины являются ингибиторами реакции окисления

метана, а по взрывчатым характеристикам и эффективности взрывного действия НК-Б не уступает игданиту.

В порядке убывания предохранительных свойств рассмотренные ВВ можно расположить следующим образом: НК-Б, М-1, НМ-1, Д-5, ТК-10, ТКЗ-15.

Таким образом, при ведении взрывных работ на угольных разработках и опасности возникновения горного удара не рекомендуется использовать гранулиты с положительным кислородным балансом и скоростью детонации скважинных зарядов выше 4000 м/с. В этих условиях штатные гранулиты целесообразно применять с откорректированной рецептурой:

- НК-Б с увеличенным содержанием горючего на 1%;

- М-1, НМ-1 с увеличенным содержанием горючего на 1,5%;

- УП-1 с увеличенным содержанием горючего на 2%;

- Д-5 с увеличенным содержанием горючего на 3%.

В откорректированных рецептурах по сравнению с номиналом снижаются пиковое давление и температура продуктов взрыва, а уровень вредных газов сохраняется в допустимых пределах.