Технология и безопасность взырвных работ

ТЕХНОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ВЗЫРВНЫХ РАБОТ

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 090500

 

СОСТАВИТЕЛЬ: доц. МИХАЙЛОВ В. А.

 

 

Санкт - Петербург

2001 год

Лекция 1.

Основы теории и свойства промышленных взрывчатых веществ.

Взрыв – очень быстрое превращение потенциальной энергии в кинетическую, обусловленное внезапным изменением состояния вещества, при этом переход энергии из потенциальной в кинетическую сопровождается резким увеличением давления, образованием ударной волны и совершением механической работы.

По природе взрывы:

1. физические, происходит физическое изменение состояния вещества;

2. химические, происходит чрезвычайно быстрые химические превращения вещества с выделением большого количества тепла, газов и образованием новых веществ;

3. ядерные, цепные реакции деления ядер с выделением колоссального количества энергии, на единицу взрывчатого вещества выделяется до 4*10¹¹ кДж/кг, обычное ВВ дает в среднем 4*10³ кДж/кг.

Основным видом взрыва является химический взрыв. Химический взрыв – крайне быстрое сверхзвуковое самораспространяющееся химическое превращение вещества или системы веществ с выделением тепла и газов, способных производить механическую работу (разрушение, перемещение окружающей среды, ударные волны, упругие колебания.

Взрывчатые вещества – вещества, способные взрываться под воздействием внешнего начального импульса. Взрыв абсолютного большинства ВВ – это химическая реакция окисления горючих элементов (углерод и водород) кислородом, входящим в молекулярный состав самого ВВ в отличие от процесса горения, где окисление идет за счет кислорода, извлекаемого из воздуха. Этим объясняется высокая объемная концентрация энергии взрыва по сравнению с горением.

1 л спирт – воздух (стехеометрическая смесь) - выделяется 15 кДж

1 л ВВ - нитроглицерин 10⁴ кДж

В то же время тепловая энергия при сгорании 1 кг обычного горючего значительно больше теплоты взрыва 1 кг ВВ.

Наименование	Тепловая энергия, кДж/кг
Керосин	4,6*10^4
Уголь	2,9*10^4
ВВ (объемная концентрация больше)	4*10^3

 

Скорость. У ВВ скорость распространения реакции (2¸7)*10³ м/с. Это обеспечивает высокую мощность взрыва.

Количество газов составляет 500 –1000 л/кг.

Температура газов при взрыве от 1900 – 4500 ⁰С.

При взрыве за счет высокой скорости и большого объема в зоне взрыва возникает большое давление до 10⁹ Па (» десятков тысяч атм.). Это давление вызывает в окружающей среде ударную волну, которая распространяется в среде, превращается в звуковую волну.

Таким образом, отличительными признаками химического взрыва являются:

1. реакция окисления;

2. высокая объемная концентрация;

3. сверхзвуковая скорость превращения;

4. экзотермичность реакции;

5. образование большого количества газов;

6. высокое давление в зоне взрыва;

7. звуковой эффект.

В зависимости от ряда горно-геологических условий можно выделить 3 вида химического превращения ВВ:

1. детонация – это распространение взрыва по массе ВВ со сверхзвуковой постоянной для данного ВВ и диаметра скоростью обусловленной прохождением детонационной волны (скорость 2000 – 7000 м/с). Это явление самораспространяющееся;

2. горение – переменное по скорости реакция окисления (от долей см/с до сотен м/с), протекающая при высокой температуре пламеня и основанная на теплопередачи;

3. термическое разложение – медленная химическая реакция, происходящая по всему объему ВВ при относительно низкой температуре (ниже температуры вспышки), может протекать при недостаточной химической стойкости ВВ и неблагоприятных условиях хранения.

Форма химического превращения зависит от условий:

1. от вида и мощности начального импульса;

2. физического состояния ВВ;

3. внешние условия – давления и температура, параметры, которые могут изменятся от плотности заряда, тип зарядной камеры, диаметр заряда, конструкция заряда.

При сочетании внутренних и внешних условий возможен переход из одной формы превращения в другую. Например, при недостаточной плотности детонации может перейти в горение. При неправильном хранении ВВ (в больших объемах, в таре) их горение может перейти в детонацию. При неправильном хранении ВВ (повышенная влажность, температура) ВВ может термически разлагаться, если большая масса ВВ, то разложение может перейти в горение.

Наиболее эффективной формой химического превращения является детонация, которая используется при разрушении горных пород.

Лекция 2.

Лекция 3.

Лекция 4.

Теплота взрыва (закон Гесса).

Количества тепла, выделяемого при взрыве равно суммарной теплоте образования продуктов взрыва за вычетом теплоты образования самого ВВ.

- теплота образования продуктов взрыва;

- количество молей продуктов взрыва;

-теплота образования ВВ,

Удельная теплота,

для смесевых ВВ

Пример на лабораторных работах.

Температура взрыва.

Процесс принимается адиабатический.

;

2-х атомный	Сv= 20.1+18.8*10^-4 кДж/(моль*^0С)
4-х атомный	41,9+18,8
СО2	37,7+24,3

 

Температура – несколько тысяч ⁰С (2 – 3 тыс ⁰С)

Давление газов взрыва (закон Бойля – Мариотта и Гей – Люсака).

P₀, V₀ - атмосферное давление и объем газов взрыва при 0⁰С и атмосферном давлении.

V- объем зарядной камеры.

a - собственный объем молекул

При плотности заряжания D (отношение массы ВВ к объему, им занимаемому) > 10³ кг/м³ a=0,001V_0.

Удельное давление , при этом сила взрыва.

- для единицы массы.

От плотности заряжания зависит давления газа взрыва:

D, кг/м^3	Р, Па
0,8*10^3 1,1*10^3	17*10^8 56*10^8

 

Детонация наиболее эффективна в технологическом процессе.

Лекция 5.

Лекция 6.

Лекция 7.

Методы испытаний ВВ.

Виды испытаний.

1. Для оценки взрывчатых свойств, характеризующих их производственной эффективности.

Испытание на скорость детонации, бризантность, работоспособность. Для новых ВВ экспериментально или расчетно определяется теплота, объем газов, давление, температура.

2. Для определения чувствительности ВВ и опасности в обращении с ними.

Чувствительность к удару, трению, инициированию, склонность к пылению, электризации.

3. Для определения технологичности применения ВВ. Оцениваются сыпучесть, дисперсность, увлажняемость, водоустойчивость, физическая и химическая стойкость.

4. Для проверки качества уже выпускаемых ВВ, соответствия ГОСТу. Состав и порядок испытаний регламентируется едиными правилами.

Наружный осмотр тары и отобранных патронов, определение способности к передаче детонации для патронированных ВВ, определение влажности ВВ для аммиачно – селитренных ВВ, проверка отсутствия эксудата для нитроэфиросодержащих ВВ, испытание порохов.

Испытание методом баллистической мортиры и баллистического маятника, работоспособность определяется по углу отклонения.

Лекция 8.

Лекция 10.

Методы взрывных работ.

Виды зарядов ВВ.

По расположению относительно разрушаемого объекта: наружные, внутренние.

По форме:

§ сосредоточенные (диаметр и длина сопоставимы)

§ удлиненные () – скважинные заряды, колонковые.

§ рассредоточенные – удлиненный заряд, разделенный на отдельные части инертными промежутками.

По характеру действия:

Воронки взрыва: а – нормального; б – уменьшенного; в – усиленного выброса.

r - радиус воронки взрыва; n = r/W - показатель действия взрыва.

 

Лекция 13.

Принципы расчета зарядов.

На практике для инженерных расчетов величины заряда преимущественно используется принцип расходуемой энергии к объему разрушаемой горной породы.

q – коэффициент пропорциональности, учитывающий свойства разрушаемых пород, необходимую степень разрушения, влияние метода взрывных пород. q – взрывчатость горных пород – горно-технологический параметр, оценивающий ее сопротивляемость разрушению взрывом (q – удельный расход ВВ, кг/м³), q зависит от типа ВВ, определяется для конкретных пород опытным путем.

На каждом предприятии составляются классификации пород, по которым определяются q при стандартных условиях.

Масса заряда, необходимая для разрушения объема зависит также и от глубины расположения заряда. В зависимости от глубины различают следующие формы наружного взрыва.

Воронки взрыва: а – нормального; б – уменьшенного; в – усиленного выброса.

r - радиус воронки взрыва; n = r/W - показатель действия взрыва.

r – полураствор воронки, радиус

W – глубина заложения

n = r/W – показатель действия взрыва

n < 1 – воронка рыхления

n = 1 – воронка нормального выброса

n > 1 – воронка усиленного выброса

Такого же действия взрыва можно достигнуть при разных массах зарядов, но одинаковых W.

Из рассмотренных последствий взрыва видна тесная взаимосвязь массы заряда, глубины заложения и характера действия взрыва, элементов воронки взрыва, количество выброшенной породы. Эта связь в общей формуле пропорциональности заряда разрушенному объему описывается F(n).

Для нормального выброса F(n) = 1

Для зарядов рыхления:

F(n) = 0.33 – 1

Для зарядов камуфлета и откольных зарядов:

F(n)» 0.2

Для зарядов усиленного выброса:

F(n) > 1

Заряды выброса рассчитываются по формуле Борескова:

F(n) = 0.4 + 0.6n³

Значение n при расчете параметров взрывов на выброс подбираются в зависимости от необходимой дальности броска, объема выбрасываемой породы, ее свойств.

W > 25 м

V определяется задачей взрыва, условиями расположения зарядов, зависит от методов взрывных работ.

V» W³ - при сосредоточенном заряде

Примеры:

а) уступная отбойка

 

 

б) при проходке подземных горных выработок

h - КИШ – коэффициент использования шпура

V = a * W * H

l_подв = l_шп * h

V = S * l_подв = S * l_шп * h

Лекция 14.

Методы взрывных рабо т.

Методы взрывных работ классифицируются по цели взрыва, по типу зарядов. Выбор метода чаще всего диктуется технологией горных работ.

Метод скважинных зарядов.

Наиболее распространенный эффективный метод разрушения на карьерах, при подземной разработке, при системах с массовым обрушением руды, реже в строительстве при производстве взрывов на сброс и выброс.

Метод шпуровых зарядов.

На карьерах имеет вспомогательное значение.

 

Метод камерных зарядов.

Рассчитывается как сосредоточенный, на карьерах не применяется. Метод применяется на сброс и выброс.

 

Метод котловых зарядов.

 

 

Диаметр скважин.

d_скв – важнейший параметр, определяющий все остальные, один из главных параметров регуляторов степени дробления. Зависит оптимальный диаметр от заданной степени дробления, свойств пород, от типа станка. Целесообразность применения диаметра скважины должна проверяться.

В практике проектирования существует несколько методик определение рационального диаметра скважин.

1. «Гипроруда»

d_скв

 

 

d_конд

В зависимости от взрываемости к = 0,1 – 0,3. 0,3 значение – для легко взрываемых пород, 0,1 – для трудновзрываемых.

 

2. формула Давыдова

К_Т – коэффициент трещиноватости 0,1 – 0,2 (0,1 – легко взрываемые, 0,2 – трудновзрываемые).

D - плотность заряжания

r - плотность породы

Существует несколько методик, в общем: породы 5-ой категории (шкала трещиноватости) - 60-100 мм, для 3 – 4 категории d_скв = 150-200 мм, для 1 – 2 категории – 250-320 мм.

 

Удельный расход ВВ.

Важнейший нормированный параметр, является функцией крепости пород.

q = F(крепости пород, задачи взырва, типа ВВ, условия взрывания)

Как правило, выбирается по классификации горных пород по взрываемости, составляется по опыте взрывных работ.

q_э – эталонный удельный расход

e – поправка на работоспособность применения ВВ

K₁ – коэффициент, учитывающий требования к степени дробления

K₂ – число обнаженных поверхностей

K₃ – коэффициент, учитывающий плотность заряжания

K₄ – высота уступа

 

Расчетная линия сопротивления по подошве (W_п).

W = F(f, d_скв, H_у …)

, м

р – вместимость скважин

q – удельный расход

Расчетное значение, преодолеваемое ЛНС заряда данного диаметра.

В случае применения новых типов ВВ высокоплотных, водосодержания, расчет следует вести с учетом большей объемной концентрации энергии этих ВВ по сравнению с обычными ВВ (плотность до 1,7 г/см³).

Е – объемная концентрация энергии ВВ, кДж/кг

q^/ – удельная энергоемкость разрушения породы, кДж/м³

 

 

 

Затем производится проверка расчетной W_п по условию безопасности бурения скважин первого ряда.

Если это условие не удовлетворяется, необходимо увеличивать диаметр скважины, применяется: более мощное ВВ, наклонное бурение, спаренные скважины по 1 ряду, котловые скважины.

 

Глубина перебура.

Рисунок

- трудновзрываемых пород

- для легко взрываемых пород

На практике при уступах высотой 10-15 м - м

 

 

 

В некоторых случаях перебур не обязателен (и даже нежелателен), а иногда - «недобуры»: «Фосфорит», Пикалево.

Длина забойки

- трудновзрываемых пород

- для легко взрываемых пород

Взрывание без забойки повышает опасность ударной волны и разлета осколков.

 

Сетка скважин (а х в), коэффициент сближения, схемы КЗВ.

Условия относятся к многорядному мгновенному либо корткозамедленному мгновенному, или близких к ним, схемы.

Выбираются в зависимости от направления трещин, отношению к линии отбойки, требований к качеству дробления, к сейсмической безопасности.

 

 

II I II Врубовые схемы

I I

 

0 0

I I I

 

 

Заряд распределен по ступеням.

 

 

Диагональные схемы

 

, , ,

При короткозамедленном взрывании (в зависимости от конкетной схемы КЗВ).

Масса скважинных зарядов

Для скважин 1 – го ряда:

Для скважин 2 и последующих рядов:

Длина забойки должна удовлетворять условию:

Меньшее значение – условие безопасности (УВВ, разлет осколков).

Большее значение – качество дробления.

Общая масса взрывных зарядов, количество скважин, в которых они будет размещена, частота проведения массовых взрывов будет определяться производительностью карьера.

Лекция 17.

Сейсмическое действие.

Принято оценивать скоростью колебаний в основании зданий и сооружений. Эти колебания вызываются поверхностной волной.

Формула Садовского М. А.: , см/с

Q – масса заряда, кг.

r – расстояние от места взрыва до сохраняемого объекта, м.

К – коэффициент, учитывающий грунтовые условия в основании зданий и сооружений, зависит от плотности, обводненности, К = 150-600 (150 – для скальных, прочных горных пород, 600 – для рыхлых, обводненных).

h - коэффициент, учитывающий условия взрывания: заглубление заряда, тип ВВ, условия формирования сейсмовзрывных волн, h = 1,2-2,5.

Вспомните закон затухания амплитуды упругих колебаний:

Величины К и h устанавливаются опытным путем.

При взрывании скважинных зарядов на уступах 12 – 15 м штатными ВВ, h = 1,5.

Существует предел V для каждого сооружения, в зависимости от допускаемого уровня повреждений. Имеется шкала интенсивности колебаний при взрыве, составленная путем сопоставления (путем сравнения) со шкалой землетрясений, в которой соответствующему значению скорости колебаний вызываемого взрывом присуще какое-нибудь разрушение.

При скорости V = 0,01 – 1 балл, 0,4-0,8 – 3 балла, 0,8-1,5 – 4 балла, 1,5-3 см/с – 5 баллов, 3-6 см/с – тонкие трещины 6 баллов, 12 см/с – 7 баллов.

Исходя из этого, допускается допустимый уровень колебаний. Система повторяющихся взрывов не должна вызывать разрушение зданий.

см/с; для АБК - см/с;

Для короткозамедленного взрывания:

Q_å - суммарная масса зарядов на блоке.

При

При

 

Ударная воздушная волна.

В принципе при массовом взрыве скважинных зарядов с забойкой ударно-воздушные волны не представляют опасности для остекления и R_оп по УВВ, как правило, меньше R_с.б.. Однако при неблагоприятных метеоусловиях, условиях рельефа может быть установлена следующая величина избыточного давления, обеспечивающая безопасность расстекления.

Не разрушается –

Для стеклоблоков –

,

где: Q₁ – масса заряда в одной скважине,

m – число ступеней замедления

К_м – коэффициент метеоусловий

К_р – коэффициент рельефа

К_п – коэффициент перехода энергии скважинных зарядов УВВ

a - коэффициент, учитывающий взаимодействие зарядов, их количество и схему КЗВ.

Рекомендуемая литература

Основная

1. Горная энциклопедия (в 5 томах). М.: Изд-во «Современная энциклопедия», 1984 - 1991.

2. Дядькин Ю. Д. История горной науки и техники. С-Пб: Изд-во СПГГИ (ТУ), 1998.

3. Красногоров. Подражающие молниям. М.: Изд-во «Знание», 1977.

4. Иволгин А. И. Созидательные взрывы. М.: «Недра», 1975.

5. Ребрик М. К. У колыбели геологии и горного дела. М.: «Недра», 1984.

6. Агрикола Г. О горном деле и металлургии. М.: Изд-во АНСССР, 1962.

 

 

ТЕХНОЛОГИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ВЗЫРВНЫХ РАБОТ

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 090500

 

СОСТАВИТЕЛЬ: доц. МИХАЙЛОВ В. А.

 

 

Санкт - Петербург

2001 год

Лекция 1.