БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ

Теория предохранительных В В

При разработке некоторых полезных ископаемых в подземных выработках встречаются горючие газы и пыль, которые смешиваясь с воздухом, образуют газовые и пыле-воздушные взрывчатые смеси. Так, например, в калийных шахтах выделяются метан и водород, в озокеритовых — пары бензина и сероводород, в угольных шахтах выделяется — метан и образуется взрывчатая угольная пыль^ в медноколчеданных и серных рудниках — взрывчатая серная пыль.

Смесь метана с воздухом дает наиболее сильный взрыв при содержании в ней метана 9,46% и воздуха 90,54%, по объему. При этом горение метана в кислороде воздуха идет по реакции СН4+ + 202=С02+2Н20 + 192 ккал. При большем содержании метана или воздуха взрыв будет слабее, так как избыточный компонент, не участвуя во взрыве, поглощает часть теплоты взрыва на собствен­ное нагревание.

Пределы содержания метана, за которыми смесь его с воздухом перестает гореть и взрываться, зависят от давления; чем оно боль­ше, тем эти пределы шире. Так, например, при давлении 1 ат ниж­ний предел равен 4,5%) СН4, верхний предел 14,2%). При давлении 64 ат нижний предел уменьшается до 4%, а верхний возрастает до 52,9%.

При адиабатическом сжатии, как показывают опыты, может взрываться метано-воздушная смесь, содержащая от 2 до 75% метана (такое сжатие иногда может произойти от сильной ударной волны при взрывных работах).

Температура вспышки смеси, содержащей 6,5% СН4, равна 650° С.

На чувствительность метано-воздушной смеси к нагреванию, характеризующуюся температурой вспышки, влияют примеси неко­торых газов и распыленных твердых веществ. Одни из этих веществ повышают чувствительность к нагреванию, другие, наоборот, сни­жают.

Окись углерода (СО), двуокись азота (NO2) и кислород повы­шают чувствительность метано-воздушных смесей к нагреванию.

Азот и углекислота уменьшают чувствительность смеси к нагре­ванию, также воздействуют на метано-воздушную смесь хлористый натрий, хлористый калий и некоторые другие вещества, являющие­ся ингибиторами или отрицательными катализаторами. Эти веще­ства вводят в состав ВВ или в оболочку патрона.

Вспышка метано-воздушной смеси происходит с некоторым за - • медленней, зависящим от температуры нагревания. Величина за­медления воспламенения (или величина периода индукции) с по­вышением температуры нагревания уменьшается. Так, например,
:п. ри температуре нагревания 650° С вспышка смеси происхо­дит через 10 сек, при 750° С — через 1,8 сек, при 800° С — через €,5 сек.

В присутствии отрицательных катализаторов замедление вос­пламенения., или период индукции, изменяется в пределах, приве­денных в табл. 4.

Таблица 4

Действие галоидных солей щелочных металлов как отрицатель­ных катализаторов, объясняется тем, что реакции окисления метана являются цепными и цепи обрываются на поверхности частиц ука­занных солей.

Непосредственными причинами, вызывающими воспламенение метано-воздушной смеси при взрывных работах, могут быть: воз­душная ударная волна, раскаленные или горящие твердые частицы и нагретые газообразные продукты взрыва. Наиболее вероятными причинами являются две последние.

При взрыве заряда в атмосферу забоя проходит прежде всего ударная волна, вызывающая сжатие воздушной среды в выработке и повышение температуры. Затем проникают вырывающиеся из шпура и разрушенной породы газообразные продукты взрыва, имеющие высокую температуру, которые, расширяясь, также сжи­мают близлежащие слои атмосферы с повышением их температуры. Вместе с тем продукты взрыва, смешиваясь с атмосферой забоя, ■повышают ее температуру и путем прямого теплообмена.

Продукты взрыва содержат газы, повышающие взрывоопасность метано-воздушной смеси (СО, N02, 02) и газы, понижающие ее (C02,N2).

Газами взрыва из шпура иногда выбрасываются раскаленные частицы угля, горящая бумажная оболочка патронов и частицы •самого ВВ, не успевшие прореагировать в шпуре при взрыве. Все это вместе с нагретыми газообразными продуктами взрыва может быть наиболее вероятным источником воспламенения метано-воз­душной смеси. Воспламенение ее может также произойти от вто­ричного пламени, образующегося при смешении с воздухом газов взрыва, содержащих окись углерода.

Таким образом, при взрыве зарядов возникает ряд сложных комбинаций возбудителей взрыва метано-воздушной смеси. Это затрудняет теоретическое объяснение совокупности действия всех ■факторов взрыва.

Существующие частные теории учитывают только некоторые главные факторы, влияние которых наиболее заметно. Но даже и в этом случае они позволяют делать меньше ошибок при подборе предохранительных ВВ и условий взрывания.

Первой по времени является термическая теория Малляра и Ле - Шателье. Эта теория учитывает только влияние температуры газов взрыва и длительности их соприкосновения с метано-воздушной смесью и утверждает, что при ВВ с небольшой температурой взры­ва и достаточной скоростью детонации метано-воздушная смесь, вследствие наличия замедления воспламенения и быстрого охлаж­дения газов взрыва в свободном пространстве забоя, может не взорваться. На основании этого предложено применять в шахтах, опасных по газу, взрывчатые вещества с температурой взрыва не более 1900° С при взрывании по породе и не более 1500° С — при взрывании'по углю.

Термическая теория Малляра и Ле-Шателье позднее была раз­вита Одибером, который установил, что при взрыве имеет место следующая схема воспламенения метано-воздушной смеси. Продук­ты взрыва, входя в забой, смешиваются с метаном и воздухом и по­вышают их температуру. Таким образом, получается смесь метана, воздуха и продуктов взрыва, имеющая среднюю температуру, вели­чина которой зависит от теплоты продуктов взрыва.

Путем опытов Одибер установил для ВВ с нулевым кислород­ным балансом, что, если теплота взрыва, приходящаяся на 1 кмоль газообразных продуктов взрыва, будет менее 21 500 ккал, то такое ВВ можно считать предохранительным.

При взрывании ВВ с положительным кислородным балансом в массиве, способном реагировать с кислородом (например, в угле), предохранительным может быть только ВВ, удовлетворяющее не­равенству

<7 < 21 500 ■— 94 000/г, где q — теплота взрыва, приходящаяся на 1 кмоль продуктов взры­ва, ккал/кмоль;

П — отношение количества киломолей свободного кислорода в продуктах взрыва к общему количеству киломолей про­дуктов взрыва.

В целях понижения теплоты и температуры взрыва применяют ВВ с большим содержанием аммиачной селитры, дающей много га­зов и мало тепла, и с добавками инертных солей (чаще хлористого натрия и хлористого калия), являющихся теплопоглотителями или пламегасителями. Хлористый натрий, например, имеет большую теплоемкость (0,22 ккал/кг ■ град) и большую теплоту плавления (плавление при 804° С, теплота плавления 124 ккал/кг), добавка его к ВВ в количестве 20% снижает теплоту и температуру газов взрыва на 25—-30%.

Теория Одибера и расчетные формулы, предложенные им, не учитывают каталитического влияния пламегасительных солей. Бо­лее поздними исследованиями советских специалистов (А. И. Голь - биндер, Л. В. Дубнов) было установлено, что такие инертные до­бавки, как хлористый натрий, хлористый калий и некоторые дру­гие, являются не только теплопоглотителями, но и отрицательными катализаторами, задерживающими вспышку метано-воздушной смеси и уменьшающими вероятность ее воспламенения.

Предохранительные ВВ должны удовлетворять следующим тре­бованиям:

Иметь небольшую теплоту и температуру взрыва, в связи с чем они обладают небольшой работоспособностью (порядка 200— 240 см3 для ВВ, применяемых для взрывания по углю, и 240— 300 см3 для ВВ, применяемых для взрывания по пустой породе);

Хорошо детонировать, чтобы была исключена возможность не­полного взрыва или выгорания заряда, а также выноса из шпуров горящих частиц ВВ;

Иметь нулевой или небольшой положительный кислородный ба­ланс, чтобы была сведена к минимуму возможность образования газов, способствующих вспышке метано-воздушной смеси (СО, Но, 02, N02);

' содержать пламегасители (хлористый натрий, хлористый калий).

Чтобы не снижать взрывных свойств ВВ, предложено вводить добавки инертных солей в состав предохранительного ВВ в ограни­ченном количестве, а патроны ВВ помещать в особые оболочки из инертных солей. Такие оболочки получили название предохра­нительных.

В качестве инертных солей в предохранительных оболочках при­меняют хлористый натрий, хлористый калий, двууглекислый натрий и фтористый кальций. Предохранительная оболочка может быть твердой и порошкообразной, изготовляемой при патронирова­нии ВВ.

Порошкообразные оболочки могут быть невзрывчатыми и взрыв­чатыми. Первые состоят полностью из инертных материалов, вто­рые содержат, кроме инертных солей, до 30% активных взрывчатых компонентов, включая нитроглицерин. Такая оболочка способст­вует полной детонации патрона ВВ и вместе с тем снижает темпе­ратуру газов взрыва. В качестве примера взрывчатой оболочки можно привести оболочку, состоящую из: нитроглицерина — 10%, натровой селитры—12%, древесной муки — 3%, хлористого ка­лия — 40% и хлористого натрия — 35%.