авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Развитие технологии разрушения горных пород гелевыми вв, изготовленными на основе утили- зируемых боеприпасов

На правах рукописи

ДОРОШЕНКО Станислав Иванович

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ГЕЛЕВЫМИ ВВ, ИЗГОТОВЛЕННЫМИ НА ОСНОВЕ УТИЛИ-

ЗИРУЕМЫХ БОЕПРИПАСОВ

Специальность 25.00.20 - «Геомеханика, разрушение гор-

ных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2014 1

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф. Ус тинова «ВОЕНМЕХ»

Кафедра «Средства поражения и боеприпасы»

Научный руководитель: МИХАЙЛОВ Николай Павлович доктор технических наук, профессор БГТУ им. Д.Ф. Устинова «ВОЕНМЕХ»

Официальные оппоненты: ДЕРЖАВЕЦ Аврам Семенович доктор технических наук, профессор генеральный директор ЗАО «Взрывиспытания»

ПУПКОВ Владимир Васильевич кандидат технических наук, генераный директор ООО «Промтехвзрыв»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер РАН

Защита диссертации состоится «23» апреля 2014 г. в 1030 час.

на заседании диссертационного совета Д.002.074.02 при Институте проблем комплексного освоения недр Российской академии наук по адресу: 111020,Е-20, Москва, Крюковский тупик, 4;

тел./факс 8-495-360-89- Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные пе чатью, просим направлять в адрес совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПКОН РАН и на сайте www.ipkonran.ru.

Автореферат разослан «» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Милетенко И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Взрывное разрушение различных мате риалов (горные породы, лед и т.д.) и конструкций (сооружений) на современном этапе развития науки предполагает решение целой гам мы противоречивых проблем, основными из которых являются повы шение эффективности воздействия в требуемой зоне и щадящее воз действие на окружающую среду. Особо важное значение эта проблема приобретает при выполнении взрывных работ в стесненных условиях.

Такой подход требует разработки новых типов взрывчатых ве ществ (ВВ) с заданными характеристиками, подтверждаемыми ком плексом экспериментальных исследований.

При этом наряду с взрывчатыми характеристиками, к новым ти пам ВВ предъявляются также требования по безопасности и эколо гичности.

Параллельно с этой проблемой в нашей стране остро стоит во прос ликвидации и утилизации накопленных запасов обычных бое припасов. Простое уничтожение извлекаемых из боеприпасов ВВ не приемлемо по экологическим и экономическим соображениям. По вторное использование порохов и ВВ уже в составе новых взрывчатых материалов позволит комплексно решать обе проблемы.

Одним из эффективных в технологическом и экономическом ас пектах направлений, является использование гелевых промышленных ВВ (ПВВ) на основе пироксилиновых порохов, извлекаемых из ути лизируемых боеприпасов.

Несложная технология, достаточная сырьевая база и низкая стои мость компонентов позволяют быстро организовать изготовление ПВВ на гелевой основе. Вместе с тем необходимо отметить, что такие ПВВ пока не нашли широкого применения в промышленности. Такое положение обусловлено, в основном, недостаточной изученностью их взрывчатых характеристик и, соответственно, рекламируемостью.

На основании изложенных выше проблем, можно утверждать, что изучение особенностей взрывного воздействия ПВВ на гелевой основе и их адаптация для различных направлений применения, представляет актуальную задачу и имеет значительный научный и практический интерес.

Решение этой задачи состоит в экспериментальном изучении и теоретическом обобщении основных характеристик гелевых ПВВ и разработки эффективных способов и устройств взрывания, базирую щихся на основе особенностей динамики их взрывчатого превращения.

Эффективность применения гелевых ПВВ определяется не только степенью полезного использования энергии заряда, но и возможностью управления механизмом взрывного разрушения материалов и конст рукций. Для этого необходимо тщательное и подробное изучение физи ческих закономерностей взрывного нагружения, эффективность кото рого достигается за счет согласования интенсивности нагружения с фи зико-механическими свойствами разрушаемых материалов, с одной стороны, и заметным ослаблением напряжений в среде в зоне негатив ного воздействия.

В этой связи проблема повышения эффективности взрывных ра бот в сочетании с повышением уровня безопасности приобретает осо бую актуальность.

Цель работы: повышение эффективности и безопасности техно логии взрывного разрушения горных пород на основе применения ге левых промышленных взрывчатых веществ.

Научная идея заключается в использовании изменяющихся свойств промышленных взрывчатых веществ на гелевой основе для повышения эффективности взрывного разрушения горных пород.

Задачи исследования:

1. Развитие технологии утилизации боеприпасов на основе гексо генсодержащих ВВ.

2. Совершенствование гелевых ПВВ на водной основе и экспери ментальное определение их взрывчатых и эксплуатационных характе ристик.



3. Экспериментальное изучение разрушения горных пород и ма териалов взрывами зарядов ПВВ на гелевой основе.

4. Разработка физических и математических моделей процессов взрывного разрушения пород с применением гелевых ПВВ.

5. Разработка методических основ применения гелевых ПВВ в горной промышленности и при ведении специальных взрывных работ в стесненных условиях.

Защищаемые научные положения:

1. Смешение метательных взрывчатых веществ (пироксилиновых порохов) с органическим кислородсодержащим гелем изменяет ха рактер взрывчатого превращения и переводит в режим детонации с сохранением достаточной чувствительности к первичному импульсу без пыления при заряжании, что позволяет применять этот состав для технологии дробления горных пород.

2. Характер изменения относительной работоспособности заря дов на основе гелевых ВВ во времени и пространстве определяется не только параметрами самих гелевых ВВ, но и свойствами разрушае мых массивов и условиями нагружения.

3. Рациональное сочетание детонационных, взрывных и экс плуатационных характеристик гелевых ВВ на основе утилизируемых боеприпасов обеспечивает существенное повышение эффективности и показателей взрывного разрушения горных пород, в том числе в стес ненных условиях.

Научная новизна:

1. Установлена закономерность изменения относительной рабо тоспособности гелевых ВВ, которая в отличие от типовых ВВ носит нелинейный характер и которая определяется параметрами самих ге левых ВВ и свойствами среды.

2. Дано теоретическое обоснование технологии повышения эф фективности взрывных работ в горном производстве при использова нии водосодержащих гелевых ВВ.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке способа утилизации боеприпасов, снаряженных гексогеносодержащими ВВ;

- в разработке рекомендаций по проведению взрывных работ с одновременным повышением уровня безопасности;

- в установлении показателей основных взрывчатых характери стик и параметров безопасности гелевых ПВВ;

- в разработке конструкций патронированных и скважинных ком бинированных зарядов;

- в разработке способа и устройства снаряжения шпура гелевыми ПВВ.

Достоверность результатов обосновывается большим объемом проанализированной и обобщенной информации по отечественным и зарубежным исследованиям взрывного воздействия взрывчатых ве ществ на горные породы и материалы, использованием современных моделей механического действия взрыва и современной измеритель но-регистрирующей аппаратуры, достаточной сходимостью результа тов лабораторных, полигонных и промышленных экспериментов и использованием гелевых ПВВ.

Методы исследований. Обзор и анализ исследований, проведен ных отечественными и зарубежными учеными в области взрывных работ, комплексное использование теоретических и эксперименталь ных методов в лабораторных, полигонных и производственных усло виях, сравнительный анализ результатов исследований с натуральны ми данными, применение нониусного метода сравнения параметров механического действия взрывов зарядов гелевых и эталонных ПВВ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на четвертой и пятой международных научных конфе ренциях «Физические проблемы разрушения горных пород» в 2004 и 2006 годах, на VI и VII международных научно-технических конфе ренциях «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов» в 2005 и 2007 годах, на научном симпозиуме «Неделя горняка» в 2007, 2009, 2011 и 2013 годах, на заседаниях кафедры «Средства поражения и боеприпасы» БГТУ «ВОЕНМЕХ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных трудов (в т.ч. 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки Рос сии), а также получено 5 патентов на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа со стоит из введения, 4-х глав и заключения, изложенных на 124 страни цах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 118 наименований, приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Преимущества взрывной технологии дробления горной массы в процессе её отделения от массива оказались настолько очевидными, что она широко применяется во всех горнодобывающих странах ми ра, непрерывно растет и область применения энергии взрыва для по лучения полезной работы в других отраслях промышленности, науки и техники. Это стимулирует развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению свойств самих ВВ, механизму и полноте их взрывчатого превращения, механизму действия взрыва на различ ные среды и оптимизации полезных форм работы взрыва с учетом свойств среды и технологии ведения взрывных работ.





Основы физических процессов разрушения горных пород взры вом и закономерности изменений параметров волн напряжений изло жены в работах академиков АН СССР и РАН Адушкина В.В., Мель никова Н.В., Садовского М.А., Трубецкого К.Н., Шемякина Е.И., член-корреспондента АН СССР Замышляева Б.В., доктора техниче ских наук, профессора Родионова В.Н. В дальнейшем они развиты в трудах докторов наук и профессоров Белина В.А., Викторова С.Д., Евтерева Л.С., Закалинского В.М., Кутузова Б.Н., Казакова Н.Н., Крюкова Г.М., Кочаряна Г.Г., Спивака А.А. Численные методы иссле дований явились результатом трудов докторов технических наук Ар хипова В.Н., Будкова А.М.

Наиболее значимый вклад в разработку технологии утилизации внесли Авсеенко И.М., Мацеевич Б.В., Варёных Н.М., Кореньков В.В., Щукин Ю.Г. и др. Исследования целого спектра задач по примене нию ПВВ на основе продуктов утилизации проводились под руково дством и непосредственным участием Викторова С.Д., Державца А.С., Феодоритова М.И, Франтова А.Е.

Основная проблема использования энергии ВВ в промышленно сти состоит в повышении безопасности и эффективности взрывных технологий добычи полезных ископаемых и снижении их вредного экологического воздействия на окружающую среду. Сложность реше ния этой проблемы заключается в необходимости с одной стороны исключить полностью или резко снизить риск возникновения случай ных взрывов при обороте ВВ и их взрывоопасных компонентов, а с другой – надежно прогнозировать эффект целенаправленных взрывов в конкретных условиях карьеров и специальных работ.

С расширением области применения энергии взрыва возникли проблемы разработки ВВ с заранее заданными свойствами. Наиболее остро эта проблема стоит при работе в стесненных условиях, когда, с одной стороны, необходима высокая работоспособность, а с другой, минимальное воздействие на окружающую среду.

Аналогичные проблемы имеют место при работах в чрезвычай ных ситуациях: разрушении ледяных заторов, разрушении аварийных конструкций, разборе завалов и т.п.

Стремление разработчиков изготовить ВВ с параметрами, опти мально удовлетворяющими этим условиям, привели к созданию ряда новых промышленных взрывчатых материалов, значительная доля кото рых разработана с использованием взрывчатых компонентов утилизи руемых боеприпасов.

Из всего многообразия ПВВ, изготовленных по конверсионным технологиям, особый интерес представляют гельпоры ГП и промежу точные детонаторы гексогенсодержащие водонаполненные (ПДГВ).

Основные результаты работы отражены в следующих защищае мых положениях.

1. Смешение метательных взрывчатых веществ (пироксили новых порохов) с органическим кислородсодержащим гелем из меняет характер взрывчатого превращения и переводит в режим детонации с сохранением достаточной чувствительности к пер вичному импульсу без пыления при заряжании, что позволяет применять этот состав для технологии дробления горных пород.

Гельпоры - это водосодержащие ВВ, представляющие собой ком позицию зерненых или трубчатых артиллерийских пироксилиновых порохов и гелеобразного раствора окислителей.

ПДГВ представляют собой механическую смесь гельпора (до 70% по массе) и шашек гексогеносодержащих составов типа А-ХI-2.

Для оценки взрывчатых свойств, характеризующих эффектив ность ПВВ на гелевой основе, были проведены экспериментальные исследования параметров детонации и работоспособности. Сравни тельная эффективность эталонных и гелевых ПВВ представлена в табл.1.

Таблица 1 - Значения показателей эффективности ВВ Гельпоры Показатель Тротил Аммонит 6 ЖВ ГП-2Д ГП-2У h, мм 16 30 26 = h/hк 0,36 1,0 0,76 0, /ТНТ 1,0 2,7 2,1 0, Для оценки чувствительности и опасности ПВВ в обращении проводились испытания зарядов ВВ на воздействие пожаров, электро статическую безопасность, а также на воздействие пуль стрелкового оружия. Сравнительная характеристика эталонных и гелевых ПВВ по параметрам безопасности представлена в табл.2.

Таблица 2 – Сравнительные характеристики безопасности ГП Характеристика ТНТ 6 ЖВ ГП-Т ГП-2У 2ДП Чувствительность к ЭД, ДШ ЭД, ДШ ЭД ДШ ЭД, ДШ импульсу Чувствительность к 20-24 16-32 0 0 удару, % Температура вспыш- 300 330 175 175 ки, Со Переход горения в нет нет нет нет нет детонацию Электростатичность есть есть нет нет нет Прострел пулей, м 25 25 25 25 Пыление средн. высок. нет нет нет Токсичность высок. высок. нет нет нет Водоустойчивость высок. средн. высок. высок. высок.

2. Характер изменения относительной работоспособности за рядов на основе гелевых ВВ во времени и пространстве определя ется не только параметрами самих гелевых ВВ, но и свойствами разрушаемых массивов и условиями нагружения.

На основе совместного анализа результатов измерений параметров местного действия, воздушной ударной волны (ВУВ), подводной удар ной волны (ПУВ) и результатов разделки негабарита получены зависи мости изменения относительной работоспособности гельпора с расстоя нием (рис. 1).

Рис.1 – Характер изменения относительной работоспособности гель пора с расстоянием в воде и воздухе: – ПУВ ;

– ВУВ Зависимость относительной работоспособности гельпора в возду хе и грунте описывается системой уравнений (1), (2).

в воде Специфические особенности взрывов зарядов гелевых ПВВ отра жаются и на гранулометрическом составе взорванной породы. На ри сунке 2 представлен грансостав горной массы после взрыва традици онных и гелевых ПВВ в одинаковых условиях.

Q, кг Рис. 2 – Гранулометрический со- Рис. 3 - Сравнительные резуль став горной массы после взрыва: таты по разлету осколков и кам 1 – скважинными зарядами с ис- ней: 1 - накладной заряд пользованием традиционных ПВВ;

(Vortman L.J.,SANDIA.,1967);

- накладной (контактный заряд);

– скважинными зарядами с исполь- 3 - расчет по «Единым прави зованием гелевых ПВВ лам…» для условий карьера;

4 грунт, аммонит;

5 - металл, ТНТ;

6 - бетон, ТНТ;

7 - грунт гельпор;

8 - металл, гельпор;

9 бетон, гельпор;

10 - гранит, мас совый гранипор;

11 - гранит, массовый, гельпор Из графика следует, что фракционный состав в обоих случаях подчиняется трехмодальному распределению и при этом при взрыве гелевых ПВВ заметно ниже доля переизмельченной фракции (менее 0,5 см) и негабарита (более 70 см), а доля кондиционной фракции – выше.

В целом характер разлета осколков породы и материалов при взрывах типовых и гелевых ПВВ представлен на рис. 3.

3. Рациональное сочетание детонационных, взрывных и экс плуатационных характеристик гелевых ВВ на основе утилизи руемых боеприпасов обеспечивает существенное повышение эф фективности и показателей взрывного разрушения горных пород, в том числе в стесненных условиях.

В общем случае параметры детонационной волны определяются энергией химического превращения продуктов взрыва, давлением на фронте детонационной волны и рядом других факторов, определяю щими из которых являются удельная энергия взрыва Qn и давление детонации Рд. Выделенная при взрыве энергия Ео в зависимости от детонационных параметров Рд, Qn и свойств породы, расходуется на различные физические процессы: диссипацию энергии в ближней зоне взрыва, переизмельчение среды, разрушение среды и создание меха нических возмущений вне зоны разрушения.

Чем выше параметры детонационной волны, тем больше напря жения на стенке взрывной камеры и тем больше энергия диссипации, расходуемая на переизмельчение.

Скорость продуктов детонации ид связана со скоростью детона ции D соотношением: ид = D/( +1), а величина определяется из за висимости Qn= Рд /о(+1), т,е. = (Рд /о Qn) – 1.

Процесс передачи энергии происходит следующим образом. По сле окончания детонации продуктами взрыва уносится энергия Qn.

Если ВВ содержит воду, то часть энергии Qn затрачивается на испа рение и, возможно, на диссоциацию. Энергия испарения воды состав ляет 2,5·103 кДж/кг, т.е. для ГП-2 – 250 кДж/кг (10% воды).

Для ГП-2 Qn = 3790 кДж/кг, следовательно, доля энергии идущая на испарение составляет ~ 7%.

Для оценки давления детонации показатель адиабаты получают из формул Рд= оD2/(+1), Qn= Рд /о(+1).

Тогда для ГП-2У получим = 2,09, а для ГП-2ДП = 2,5.

Кроме испарения, часть энергии взрыва расходуется на диссоциа цию. Для диссоциации Н2О О2, необходимо затратить энергию Едис = 1,33·104 кДж/кг, что для ГП-2, содержащем в своем составе 10% воды составит Едис = 1,33·103 кДж/кг.

Таким образом, на испарение и диссоциацию воды расходуется Е = 1,58·103 кДж/кг, т.е. ~ 40% от энергии взрыва зарядов ГП.

Эффективный радиус заряда при этом снижается. Но сначала испа рившаяся вода создает дополнительное давление на окружающую сре ду. Затем она конденсируется и снижает энергию продуктов взрыва.

Для описания физических процессов разрушения гранитного бло ка рассмотрен взрыв полусферического заряда на поверхности одно родного скального массива. Для проведения расчетов использовалась двумерная вычислительная программа, разработанная на основе ла гранжева численного метода "Тензор". Уравнения, описывающие движение и напряженное состояние твердого деформируемого мате риала в осесимметричном случае, имеют вид:

d dr dz div u 0, u r, uz, dt dt dt dur s rr s rz 2 s rr s zz P 0, dt r z r r (3) du z s zz s rz s rz P g, dt z r r z d Pd s rr e rr s zz e zz s e 2 s rz e rz 0, dt dt где t – время;

r, z, – цилиндрические координаты (z – ось сим метрии);

– плотность;

ur, uz – компоненты вектора скорости u;

g – ускорение свободного падения;

Р – давление;

sij – девиатор тензора напряжений;

eij – девиатор тензора скоростей деформаций;

– удель ная внутренняя энергия;

d/dt – лагранжева производная по времени:

df f (u, ) f.

dt t Система уравнений замыкается соотношениями, определяющими связь между напряжениями и деформациями материала. Конкретный вид этих соотношений зависит от используемых моделей деформиро вания грунтовых сред. Поведение скальной породы в массиве описы валось с помощью обобщенной квазиупругопластической (ОКУП) модели. ОКУП модель является одной из наиболее полных моделей деформирования скальной породы, используемых при численном мо делировании воздействия взрыва на грунт. В этой модели учитывается релаксация сдвиговых напряжений при разрушении, эффекты дила тансии в зоне сдвигового (сколового) разрушения и релаксационный механизм деформирования скальных пород за пределами этой зоны (квазиупругое деформирование).

Расчеты проведены для трещиноватой скальной породы с плотно стью 0 = 2,3 г/см3, скоростью продольных волн a0 = 3400 м/с. Кон станты ОКУП модели выбрались на основании этих данных с помо щью корреляционных соотношений между физико-механическими характеристиками грунтовых сред.

Для описания продуктов детонации тротила в расчетах использо валось уравнение состояния. Данное уравнение состояния представ лено в удобной для проведения численных расчетов аналитической форме и в настоящее время широко используется при теоретических исследованиях взрывных процессов в грунте и воздухе.

Общую картину развития взрыва иллюстрирует рис.4, на котором показан фрагмент расчетной сетки в грунте, продуктах детонации и воздухе в момент времени t = 0,2 мс. Маркерами на рис. 5 отмечены ячейки, в которых в процессе деформирования уровень нагрузок пре высил предел прочности скальной породы на сдвиг, то есть произош ло разрушение скальной породы.

Рис. 4 – Фрагмент расчетной сетки в момент времени t = 0,2мс (взрыв тротила массой 1 кг) Характерные эпюры смещения, скорости движения скальной по роды, диагональных компонент тензора напряжений и давления на различной глубине под центром взрыва мощностью 1 кг показаны на рис. 5. На рис. 6 сопоставлены зависимости максимальной скорости движения скальной породы под центром взрыва от глубины, получен ные в результате численного моделирования взрывов накладных заря дов различной мощности. На этом же рисунке отдельно показана за висимость, полученная на основе уравнения (1), для взрыва заряда гельпора массой 1 кг. Из рисунка видно, что на расстоянии менее 4 м действие взрыва заряда гельпора более эффективно, чем тротила, а на расстоянии более 10 м, т.е. в зоне безопасности, - до 2-х раз слабее.

При наличии уравнений состояния для продуктов детонации ге левых ПВВ предложенная модель позволяет рассчитывать полные эпюры для давления, скоростей и деформаций, а при их отсутствии – можно провести оценочный расчёт с использованием зависимости, представленной на рисунке 6.

Гельпор ГП-2ДП Рис. 6 – Зависимость ам плитуды скорости под Рис. 5 - Типовые эпюры центром взрыва: 1 – 0,5 кг, 2 –1кг, 3 – 4кг Значительный объем занимают специальные взрывные работы – работы, выполняемые по индивидуальным проектам производства работ.

К специальным взрывным работам в настоящее время относятся взрывные работы, выполняемые при проходке траншей, рытье котло ванов, вертикальной планировке, строительстве земляного полотна дорог, разборке фундаментов оборудования, сносе отслуживших свой срок строений и сооружений, дымовых и вентиляционных труб, си лосных башен, отдельных элементов зданий и стен. К ним же отно сятся и подводные взрывные работы, взрывы на выброс и сброс при строительстве плотин и т.п. Эти работы – одно из важнейших звеньев в общем комплексе строительных и других работ. Выполняются они и при предотвращении и ликвидации последствий чрезвычайных си туаций. Необходимо отметить, что большинство из этих работ прово дятся в стесненных условиях – рядом с промышленными сооруже ниями, вблизи функционирующих цехов, работающих механизмов и установок. На строительных объектах в условиях городской застройки специальные взрывные работы осуществляют, как правило, в зоне нахождения многочисленных строений и сооружений, подземных и наружных коммуникаций.

Сравнительный характер воздействия взрывов зарядов типовых и гелевых ПВВ в зонах разрушения и негативного экологического дей ствия показан на рис. 7.

Рис. 7 - Сравнительное воздействие взрывов зарядов гелевых и типовых ПВВ: 1 - разрушение негабарита;

2 - местное действие под водой;

3 - местное действие;

4 – ВУВ;

5 - Рф, ГУВ;

6 - импульс ВУВ;

7 - разлет осколков (металл, бетон);

8 - разлет грунта (массовый взрыв);

9 - пылевая фракция Опыт выполнения взрывных работ по дроблению скальных пород и разрушению строительных конструкций показывает, что, имея це лый ряд преимуществ, взрывной способ характеризуется и отдельны ми недостатками: воздействием сейсмических и ударных волн взры вов на охраняемые объекты, гидроударных волн подводных взрывов на ихтиофауну;

разлётом кусков взорванных грунтов и конструкций.

Учет этих обстоятельств особенно важен при взрывных работах вбли зи гражданских и производственных зданий, рядом с действующими объектами, оборудованием, механизмами и коммуникациями.

При взрывном дроблении фундаментов, перебивании конструк ций, обрушении сооружений, проходке траншей под коммуникации и т.п. необходимо принимать специальные меры к недопущению по вреждения различных объектов, находящихся вблизи места взрыва, разлетающимися кусками бетона, кирпича или скального грунта.

Дальность разлета кусков раздробленного материала при взрыве определяется многими факторами. К числу основных факторов, опре деляющих дальность разлета отдельных кусков породы при взрыве скважинных зарядов, следует отнести:

– параметры единичного заряда.

– взаимное расположение одновременно взрываемых зарядов.

– физико-механические свойства массива.

– топографию земной поверхности.

– скорость и направление ветра.

Заряды из гельпора с учетом их специфики при взрывных работах в стесненных условиях рекомендуется изменять в нескольких вариан тах: самостоятельно или в комбинации с другими типами ПВВ.

При проходке траншей гельпором целесообразно снаряжать бли жайший к охраняемому объекту ряд скважин. В этом случае при сни женном сейсмическом действии одновременно создается экран для дальних рядов. Над этим рядом скважин можно также уменьшить толщину песочного экрана, предотвращающего разлет кусков породы.

Как один из вариантов, такая схема предложена при проходке траншеи для прокладки второй нитки северо-европейского газопрово да на территории Ленинградской области.

В случае демонтажа фундаментов по известным способам можно шпуры со стороны охраняемых объектов снаряжать гельпором.

Как правило, заряжание вертикальных и наклонных шпуров осу ществляют жидкими, порошкообразными, гранулированными и па тронированными ВВ, а горизонтальных – только патронированными.

При заряжании горизонтальных шпуров патронированными ВВ, па троны в шпур вводят по одному и проталкивают пробойником. В свя зи с появлением новых гелеобразных промышленных ВВ, возникла необходимость в доработке описанной выше технологии заряжания горизонтальных шпуров применительно к данным зарядам. Проблема заключается в том, что заряды гельпора, изготавливающиеся в виде унитарных патронов в полиэтиленовой оболочке, эластичны и про толкнуть их пробойником в шпур невозможно. Под воздействием пробойника они расширяются и заклинивают в шпуре. Для заряжания горизонтальных шпуров удлиненными зарядами гелеобразных ВВ в полиэтиленовой оболочке разработаны способ и конструкция для его реализации. Суть предлагаемого способа заключается в подаче уни тарного патрона с гелеобразным ВВ в шпур и протаскивании его вглубь шпура с помощью предлагаемого устройства, представленного на рис. 8. При протаскивании патронированного заряда усилие прила гается к его передней части, что не приводит к его изгибу и исключает заклинивание в шпуре.

2 4 Рис. 8 – Схема заряжания шпура: 1заряжания шпура – рукоятка;

3- вилка;

– штанга;

Рисунок 7 – Схема 4 - забой шпура;

5 - унитарный патрон;

6 - петля Устройство состоит из штанги 1, на одном конце которой выпол нена рукоятка 2, а на другом – вилка 3. При выполнении заряжания унитарный патрон 5 с помощью петли 6 в его передней части, зацеп ляется вилкой 3 и протаскивается в забой шпура 4 до упора. Таким же образом в шпур подается каждый последующий заряд. Во избежание образования пустот внутри шпура при заряжании, после подачи каж дого заряда он уплотняется пробойником.

В горном деле в качестве самостоятельных задач, определяемых физической природой разрушений можно выделить следующие: мас совые взрывы в целом;

скважинные комбинированные заряды при массовых взрывах;

шпуровые заряды при подземных взрывах. Для этих задач предполагаются схемы и конструкции зарядов на основе гелевых ПВВ.

С учетом особенностей взрывного воздействия гельпора проведен расчет массового взрыва для условного блока в сравнении с ЭВВ или граммонитом, который указывает на существенное (~ в 1,6 раза) уде шевление буровзрывных работ при использовании гельпора по срав нению с традиционными ПВВ.

Основным источником выхода негабарита является зона забойки, которая в свою очередь состоит из приповерхностного слоя, раздроб ленного предшествующими взрывами при отработке вышерасполо женного уступа, и нижнего структурно неизменённого слоя, дающего основную долю негабарита.

Вместе с тем, при ведении взрывных работ на карьерах наряду с качеством дробления горных пород существенное значение имеет качество проработки подошвы уступа. Для усиления действия взрыва заряда на уровне подошвы уступа, скважины бурят с перебуром. Как показывает практика, наряду с выбором оптимальных параметров БВР существенное влияние на эффективность дробления породы оказывает конструкция заряда и характеристики используемого ВВ.

В условиях дефицита утилизируемых пироксилиновых порохов для повышения эффективности дробления породы, а именно: умень шения выхода негабарита из приповерхностного слоя массива и улучшения качества проработки подошвы уступа, целесообразно ис пользовать гелевое ПВВ в составе комбинированного заряда.

На основе гелевого ПВВ разработана конструкция скважинного за ряда с оптимальным сочетанием экономических показателей и эффек тивности взрывного воздействия. Конструкция заряда предполагает размещение в перебуре и в верхней части скважины гельпора ГП-2, а в средней части скважины любого другого ВВ, выбор которого определя ется условиями водонаполненности скважины, типом пород, их обвод ненностью и технологическими требованиями к горной массе по интен сивности дробления.

Размещаемый в перебуре гельпор в виду его высокой объемной концентрации энергии способствует хорошей проработке подошвы уступа. Кроме того, гельпор обладает сравнительно высокой плотно стью, поэтому для разрушения породы его требуется гораздо меньше, чем, если бы использовались традиционные ВВ.

Конструкция предлагаемого скважинного заряда представлена на рисунке 9. Использование таких зарядов позволяет расширить сетку скважин или уменьшить диаметр этих скважин и величину перебура.

Использование гелевых ПВВ в качестве донного усилителя позволяет уменьшить вероятность образования порогов у подошвы уступа по сравнению с традиционной технологией, а приповерхностный опти мизатор – уменьшить выход негабарита из приповерхностной части массива.

Сравнительные экономические показатели буровзрывных работ при проведении массового взрыва с использованием скважинных за рядов различной конструкции представлены в табл. 3 и 4. Использо вание комбинированных зарядов позволяет почти в 2 раза уменьшить количество основного ПВВ (эмульсия).

Рис. 9 – Конструкции скважин ных зарядов:

а – традиционная конструкция;

б – предлагаемая конструкция Таблица 3 – Результаты сравнительных расчетов массового взры ва с использованием скважинных зарядов из эмульсии, гельпора, ком бинированного заряда и их экономические показатели Значение параметра Наименование параметра граммонит эмульсия гельпор /гельпор (эмульсия) Объем разрушаемого блока, м3 15000 15000 Диаметр скважин, мм 170 170 Расчетный удельный расход ВВ, кг/м3 0,783 0,5 0,783/0, Плотность ВВ, кг/м3 1100 1450 1100/ Масса ВВ, т 11,8 7,5 6,0/1, Размер сетки скважин, м 5,05,0 8,08,0 5,55, Перебур, м 2,0 2,0 0, Глубина скважины, м 12,0 12,0 10, Количество скважин в блоке, шт. 48 30 Общая погонная длина скважин, м 576 360 Стоимость 1 кг ВВ, руб. 30(18) 45 30/ Стоимость прох. 1 п.м. скважины, руб. 415 415 Общая стоимость ВВ, тыс. руб. 354,0(216) 337,5 180/67, Стоимость буровых работ, тыс. руб. 239,0 149,5 190, Общая стоимость БВР, тыс. руб. 593,0(455) 487,0 437, Анализ таблицы 4 указывает на существенную экономическую выгоду применения эмульсионных ПВВ по сравнению с типовыми (гранипор,граммонит, гранулотол и др.). В то же время применение гельпора при цене 45 руб/кг оказывается не менее выгодным, чем применение эмульсионных ПВВ по цене 18 руб./кг. Экономическая выгода применения гелевых ПВВ обусловлена особенностью их взрывного воздействия.

Таблица 4 – Сравнительные экономические показатели Тип ВВ Показатели гранипор граммонит эмульсии- гельпор онное ВВ ГП- Удельный расход буре ния, п.м./м3 / стоимость, 0,065/27 0,063/26 0,065/27 0,035/ руб Удельный расход ВВ, 1,1/20 0,9/27 1,1/20 0,6/ кг/м3 /стоимость, руб Затраты на взрывные рабо 20 20 0 ты, руб Объем (проценты) и стоимость разделки нега- 10/2 10/2 10/2 3/ барита, руб.

Переизмельчение породы (проценты) и экологиче- 5/4 5/4 5/4 2/ ский ущерб, руб Итоговые затраты на БВР, 73 79 53 руб/м Для скважинных зарядов ВВ, наиболее часто используемых при дроблении массивов горных пород, основными параметрами, воздей ствующими на разлет горной массы при взрыве, являются диаметр заряда, длина забойки и общая масса заряда.

Большое количество и широкий диапазон изменения перечислен ных выше определяющих параметров существенно осложняют опре деление степени их влияния на максимальную дальность разлёта кус ков взорванной породы.

Из этого следует, что заряды на основе гелевых ПВВ можно также рекомендовать для ведения взрывных работ в стесненных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации, являющейся завершенной научно исследовательской работой, изложено решение задачи по повышению эффективности буровзрывных работ при одновременном снижении уровня опасности с применением зарядов гелевых ВВ на основе ути лизируемых боеприпасов.

По результатам проведенных исследований применительно к гор ной промышленности сформулированы следующие выводы:

1. На основании экспериментальных полигонных и лабораторных измерений установлены взрывчатые и эксплуатационные характери стики гелевых ВВ, которые существенно превосходят аналогичные характеристики типовых ВВ, применяемых в горном деле.

2. Установлены закономерности изменения параметров механи ческого действия взрывов зарядов гелевых ПВВ в воздухе, воде и гор ных породах. На основе нониусного метода исследованы особенности взрывного воздействия гелевых ПВВ в сравнении с типовыми и эта лонными ПВВ, позволяющие повысить эффективность буровзрывных и специальных взрывных работ.

3. Обоснованы на феноменологическом уровне особенности де тонации и процессов взрывного воздействия гелевых ПВВ.

4. Впервые разработана модель взрывного воздействия зарядов гелевого ПВВ для наиболее сложного случая разделки негабарита, проведен численный расчет и предположен алгоритм прогнозирова ния для типовых горных работ.

5. Обоснована конструкция комбинированного скважинного и шпурового зарядов, состоящих из различных типов ПВВ, в том числе гелевых, и обеспечивающих повышенный уровень безопасности в соче тании с требуемой технологической и экономической эффективностью.

6. Разработан способ утилизации боеприпаса на основе гексогенсо держащих ВВ. Утилизация по разработанному способу позволяет из влечь до 30% ВВ для повторного использования, снизить уровень вред ного воздействия на окружающую среду и свести к нулю расход энерго носителей.

7. Разработаны рекомендации по использованию гелевых ПВВ при проведении специальных взрывных работ.

8. Разработаны и усовершенствованы смесевые промышленные ВВ на гелевой основе, включающие пироксилиновый порох из утили зируемых боеприпасов и позволяющие снизить уровень вредного воз действия на окружающую среду.

9. Показана эффективность применения зарядов гелевых ПВВ при проведении взрывных работ в стесненных условиях горного произ водства с уменьшенными размерами зон опасного воздействия, в том числе по разлету осколков, воздушной и гидроударной волнам.

Основные положения диссертации опубликованы в следую щих работах:

1. Дорошенко С.И., Михайлов Н.П. и др. Эффективность приме нения ПВМ на гелевой основе в инженерном деле. //Пятая междуна родная научная конференция «Физические проблемы разрушения горных пород». Записки Горного института. Т.171, 2007. – С-Пб.:

СПГГИ (ТУ), с.150-152, (по списку ВАК).

2. Белин В.А., Смагин Н.П., Дорошенко С.И. Экспериментальные исследования характеристик ПВМ на гелевой основе. Взрывное дело:

Сборник научных трудов/ Отдельный выпуск Горного информацион но-аналитического бюллетеня № 8. М.: Издательство «МИР ГОРНОЙ КНИГИ», 2007, с.143-148.(по списку ВАК) 3. Дорошенко С.И., Михайлов Н.П. и др. Патент на изобретение РФ № 2282137. Способ утилизации боеприпаса.

4. Дорошенко С.И. др. Некоторые особенности параметров под водных взрывов ПВМ на гелевой основе. Сборник трудов четвертой международной научной конференции «Физические проблемы разру шения горных пород», ИПКОН РАН, М., 2005, с.394 – 397.

5. Дорошенко С.И. др. Некоторые эффекты старения ПВМ на ге левой основе. Сборник докладов VI-й международной НТК « Ком плексная утилизация обычных видов боеприпасов», М., ИД «Оружие и технологии», 2005, с.309 - 311.

6. Белин В.А., Дорошенко С.И. и др. Физические основы, техно логические схемы и экономические показатели применения гелевых ПВВ // Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов: Сбор ник докладов. – М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2007, с. 216-220.

7. Дорошенко С.И., Белин В.А., Михайлов Н.П., Будков А.М. и др. Сравнительные расчеты сейсмического действия взрывов зарядов ТНТ и гелевых ПВВ. // Комплексная утилизация обычных видов бое припасов: Сборник докладов. – М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2007, с. 268-272.

8. Дорошенко С.И., Белин В.А., Менжулин М.Г. Физические процессы формирования волновых возмущений при взрыве водосо держащих гелевых ПВВ. // Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов: Сборник докладов. – М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2007, с. 272-274.

9. Дорошенко С.И., Белин В.А. и др. Скважинный заряд взрывча того вещества. Патент РФ на полезную модель № 75028. БИПМ №20, 2008.

10. Дорошенко С.И., Белин В.А. и др. Способ и устройство заря жания горизонтального шпура. Патент РФ №2403534, БИПМ №31, 2010.

11. Дорошенко С.И. Модель энерговыделения при взрыве ПВМ на гелевой основе // Пятая международная научная конференция «Физи ческие проблемы разрушения горных пород». Записки Горного инсти тута. Т.180. С-Пб.: СПГГИ (ТУ) 2009, с.125-129, (по списку ВАК).

12. Дорошенко С.И., Белин В.А. и др. Скважинный заряд взрыв чатого вещества. Патент РФ на полезную модель № 116220 БИМП №14, 2012.

13. Дорошенко С.И. и др. Заряд взрывчатого вещества на гелевой основе. Патент РФ на полезную модель № 113347 опубликовано 10.02.2012.



 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.