автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка способов и средств флегматизации взрывоопасной рудничной атмосферы в призабойном пространстве при ведении взрывных работ в угольных шахтах

НАЦИОНАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА -„_ ИГД им. А.А. Скочинского _

На правах рукописи

Анатолий Владимирович ДЖИГРИН

УДК 622.235.361.001

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ФЛЕГМАТИЗАЦИИ ВЗРЫВООПАСНОЙ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ В ПРИЗАБОЙНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИ ВЕДЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Специальность 05.15.11. - "Физические процессы горного производства".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Диссертационная работа выполнена в Институте горного дела ни. A.A. Скочннского

Научный консультант: , Академик РАН Е.И. Шемякин

Официальные оппоненты:

проф., докт. техн. наук В.А. Боровиков

проф., докт. техн. наук С.Е. Чирков

докт. техн. наук С.К. Мангуш

Ведущая организация - ВНИМИ, 199026 г. Санкт-Петербург, В-26, Средний проспект, 82

Защита диссертации состоится "^"агА/глк-¿vp 1998 г. в час на заседании специализированного Ученого Совета Д. 135.05.03 приИГД им. A.A. Скочинского по адресу: 140004, г. Люберцы Московской обл., ИГД им. A.A. Скочинского.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИГД им. A.A. Скочинского.

Автореферат разослан n~/6 " ¿с 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета проф., докт. техн. наук

Н.Ф. Кусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Взрывные работы являются одной из основных технологических операций на угольных шахтах.

В общем технологическом комплексе производственных процессов добычи угля буровзрывные работы предопределяют темпы проведения горных выработок, непосредственно саму добычу угля, управление кровли на выемочных участках, выполнение противовыбросных мероприятий и ряд других технологий.

Одной из наиболее опасных технологических операций при проведении горных выработок в угольных шахтах и добыче угля являются взрывные работы, так как они связаны с применением чувствительных к внешним воздействиям средств взрывания и взрывчатых веществ (ВВ).

Специфичность условий ведения взрывных работ в угольных шахтах обусловлена, прежде всего, взрывоопасностью шахтной атмосферы. Безопасность производства взрывных работ при проведении горных выработок, а также в очистных забоях шахт, опасных по газу и разрабатывающих пласты, опасные по пыли, обеспечивается осуществлением ряда специальных мероприятий, приводящих к значительному снижению эффективности взрывных работ.

Проблема обеспечения безопасности взрывных работ в угольных шахтах является актуальной и требует помимо создания новых высокопредохранительных взрывчатых веществ для угольных шахт, разработки и внедрения специальных средств взрывозащиты, а также совершенствования технических средств и способов ведения взрывных работ, обеспечивающих эффективную флегматизацию взрывоопасной шахтной атмосферы.

Цель диссертационной работы является разработка способов и средств флегматизации взрывоопасной атмосферы в призабойном пространстве при ведении взрывных работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

Решение данной проблемы представляется возможным в двух направлениях:

• создании средств надежной флегматизации рудничной атмосферы в момент производства взрывных работ;

• разработке эффективных физико-технологических способов предварительной инертизации угольного массива для обеспечения эффективной предохранительной среды в призабойном пространстве, после взрывания заряда ВВ.

Идея работы заключается в установлении закономерностей взаимосвязи технологических и физических признаков взрыва, определяющих воспламеняющую способность метано-воздушной смеси (МВС) детонирующим или выгорающим зарядом ВВ и разработке на их основе комплексного способа создания предохранительной среды и средств, обеспечивающих ингибирование реакции окисления метана, а также технологических параметров буровзрывных работ, повышающих эффективность и безопасность в угольных шахтах.

В соответствии с целью и идеей в диссертационной работе решаются следующие задачи.

1.Обоснование закономерностей взаимосвязи технологических и физических признаков взрыва, определяющих воспламеняющую способность метано-воздушной смеси ударными волнами и высокотемпературными продуктами взрыва предохранительных взрывчатых веществ (ПВВ).

2.Разработка средств обеспечивающих эффективную флегматизацию взрывоопасной рудничной атмосферы на основе использования ингибиторов реакции окисления метана в качестве забоечного материала, их испытание и внедрение в производственных условиях при производстве взрывных работ шпуровыми зарядами ВВ.

3. Разработка технологических параметров буровзрывных работ скважинными зарядами и методов их расчета с внедрением на угольных шахтах, опасных по газу и пыли.

4. Разработка комплексного физико-технологического способа инертизации угольного пласта углекислым газом для флегматизации взрывоопасной атмосферы в призабойном пространстве после взрывного разрушения угля.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• давление во фронте ударных волн, температура продуктов взрыва и температурные импульсы не могут быть использованы в качестве критерия, для однозначной оценки предохранительных ВВ, решающую роль в воспламенении метано-воздушной среды играет катализирующее или ингибирующее действие на этот процесс продуктов взрыва;

• наиболее эффективны пластичные материалы забойки шпуров и гранулированные составы забойки скважин, на основе использования химических взрывоподавляющих и флегматизирующих композиций

карбонатов с солями щелочных или щелочно-земельных металлов, обеспечивающих как гетерогенное, так и гомогенное ингнбирование реакции окисления метана;

• получено решение задачи по определению критического условия полного камуфлетного взрывания скважинного заряда ВВ, без выброса материала забойки и разогретых продуктов детонации в шахтную атмосферу;

• получено аналитическое решение задачи по определению радиуса зоны трещинообразования, учитывающее два режима работы забойки (полный камуфлет без выброса забойки из скважины и случай когда забойка из скважины выбрасывается с прорывом продуктов взрыва), экспериментально установлено, что для случая полного камуфлета радиус зоны трещинообразования выше в среднем на 10%;

•на примере взаимодействия угля со смесями метана и углекислого газа экспериментально обнаружен процесс конденсации сорбата в пористом пространстве угля, по условиям протекания сходный с капиллярной конденсацией, а также адсорбция молекул СОг на поверхности щелочноземельных металлов оксида кальция и оксида

магния в форме карбонитного иона СО 2 с более ярко выраженными

сильными адсорбционными центрами на поверхности оксида магния по отношению к оксиду кальция.

• разработан способ и параметры физико-технологического воздействия на уголь в пласте, с целью его инертизации, газообразным поверхностно-активным агентом С02, что обеспечивает эффективную флегматизацию призабойного пространства при взрывном разрушении угля.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

• корректностью поставки задач исследований;

• использованием апробированных методов испытаний ВВ и средств взрывозащиты; теории информации; математической статистики и современных методов физико-химического контроля веществ: ИК-спектроскопии и рентгеновского качественного фазового анализа;

• положительными результатами практической проверки в производственных условиях результатов расчетов и аналитических исследований;

• представительным объемом результатов измерений, использованных в качестве исходного материала для расчетов параметров заряда ВВ и забойки и зон трещинообразоваиия;

• удовлетворительной сходимостью теоретических расчетов и натурных измерений;

• применением в лабораторных и натурных экспериментах измерительных устройств и приборов с метрологическими характеристиками, достаточными для решения научных задач;

• положительными заключениями по результатам приемочных испытаний средств взрывозащиты ВостНИИ и Госгортехнадзора России.

Научное значение относится к теории предохранительных ВВ, закономерностям возникновения и развития взрывов рудничных газов и пыли при взрывных работах в угольных шахтах, а также физико-химической механике ископаемого угля и заключается в установлении закономерностей образования под действием поверхностных сил жидкофазных состояний сорбата в порах угля, взаимодействующего со смесями сорбирующихся газов, метана и углекислого газа, влияния этих фазовых превращений на его структуру, а также предварительную инертизацию угольного массива сорбирующимся углекислым газом; определении эффективности флегматизации взрывоопасной рудничной атмосферы, сорбированным С02 после отбойки угля зарядом ВВ с применением ингибиторов реакции окисления метана в качестве забоечного материала.

Научная новизна выполняемых исследований состоит в следующем:

• комплексно исследована и установлена взаимосвязь механизма подавления взрыва метано-воздушной смеси при гетерогенном ингибировании, активном отводе тепла, выделяющегося в результате цепно-теплового взрыва, а также гомогенном ингибировании продуктами разложения ВВ и связующего фактора в процессе флегматизации взрывоопасной рудничной атмосферы углекислого газа.

• разработан метод предварительной инертизации угольного массива диоксида углерода, что позволяет эффективно флегматизировать рудничную атмосферу после производства взрывных работ.

Практическое значение диссертации заключается в обосновании комплекса технических решений, направленных на создание способов и средств обеспечивающих повышение эффективности и безопасности взрывных работ в шахтах, опасных по газу и разрабатывающих пласты

опасные по пыли, на определение перспективы их развития, что представляет собой одну из проблем интенсификации добычи угля подземным способом.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке следующий отраслевых нормативных документов: "Руководства по ведению взрывных работ в угольных шахтах", "Инструкции по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках"; "Рекомендуемых паспортов ведения буровзрывных работ для угольных шахт России"; "Инструкции по сотрясательному взрыванию на угольных шахтах" .

Разработан и испытан способ отбойки угля на крутых пластах скважинными зарядами ВВ с предварительной инертизацией угольного массива.

Решением Госгортехнадзора России № 04-35/11 от 09.01.96 г. допущены к постоянному применению пластичные забойки ПЗС-1С и ПЗС-2К, а решением № 07-12/22 от 11.03.96 г. они признаны основными видами забойки шпуров при взрывных работах в горизонтальных и наклонных подготовительных выработок шахт, опасных по газу л разрабатывающих пласты опасные по пыли.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном 10-м юбилейном научно-техническом совещании "Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве" (Губкин, 1988), 10-й международной конференции по механике горных пород (Москва, 1993), Всероссийской конференции "Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых" (Новосибирск, 1994), 8-й Международной конференции COAL SCIENCE (Испания, Овьедо, 1995), 9-й Международной конференции COAL SCIENCE (Германия, Эссен, 1997), 2-м Международном рабочем совещании "Проблемы Геодинамической безопасности" (Санкт-Петербург, 1997).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 30 работ, в т.ч. 5 брошюр, 3 авторских свидетельства и 3 патента РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и содержит 323 стр. текста, в том числе 57 рисунков, 39 таблиц, 21 приложение и список литературы из 227 наименований.

Работа выполнена в ИГД им. A.A. Скочинского и базируется на результатах исследований, проведенных в 1980-1997 г.г. Автор выражает глубокую благодарность за оказанную помощь академику РАН Е.И. Шемякину, проф. докт. наук Александрову В.Е.Н.Ф. Кусову , A.B. Астахову, канд. техн. наук П.И. Кушнерову, В.П. Доманову, O.A. Эдельштейну и Д.Л. Широчину.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Несмотря на интенсивность проводимых во всем мире исследований в направлении поиска новых, более эффективных и безопасных способов разрушения горных пород, взрывные работы остаются и на сегодняшний день наиболее применяемым способом отбойки и дробления горных пород при разработке полезных ископаемых, в том числе и на угольных шахтах.

Интенсификация добычи угля, постоянное усложнение горногеологических условий с увеличением глубины горных работ в угольных шахтах предъявляют особые требования к технике безопасности проведения взрывных работ и в первую очередь к способам и средствам борьбы с пылегазовыми взрывами.

В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные поиски новых более эффективных средств и способов обеспечения взрывозащиты горных выработок, отвечающих современным требованиям и техническим возможностям.

Разработке теоретических и практических основ обеспечения безопасности и эффективности ведения взрывных работ посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей. Большой вклад в развитие этой области внесли К.К. Андреев, В.А. Ассонов, В.Е. Александров, К. Бейлинг, А.Ю. Бутуков, B.JI. Божко, В.А. Боровиков,

A.И. Бобров, Б.И. Вайнштейн, В. Виман, Ф.М. Галаджий, J1.B. Дубнов,

B.И. Зеин, Я.Б. Зельдович, Б.Н. Кутузов, П.И. Кушнеров, Н.Ф. Кусов,

C.Г. Кузнецов, JI.H. Марченко, С.К. Мангуш, Э.О. Миндели, В.Н. Мосинец, М.К. Песоцкий, Н.Л. Росинский, В.Н. Родионов, Б.Д. Росси, М.А. Садовский, A.A. Скочинский, H.H. Семенов, A.C. Соколик, В.И. Стикачев, Е.И. Шемякин, Н.Р. Шевцов,Э., Шоль и др.

Специфичность условий ведения взрывных работ в угольных шахтах обусловлена взрывоопасностыо шахтной атмосферы, более 80% предприятий относятся к шахтам, опасным по газу и разрабатывающие пласты, опасные по пыли.

Основными источниками воспламенения метано-воздушных смесей (МВС) и угольной пыли при производстве взрывных работ (BP) на

угольных шахтах являются ударные волны (У В) и

высокотемпературные продукты детонации, прорывающиеся в атмосферу выработки в момент взрыва, а также выгорающие заряды взрывчатых веществ (ВВ), на долю которых приходится более 85% всех случаев воспламенения МВС.

Более 50 лет основным направлением снижения аварийности при ВР на угольных шахтах являлось повышение предохранительных свойств ВВ и снижение склонности их к выгоранию. Однако в настоящее время имеется ограниченная номенклатура применяемых предохранительных взрывчатых веществ (ПВВ) - это аммониты ПЖВ-20 и Т-19 (ПВВ IV класса); угленит Э-6 (ПВВ V класса) и угленит П12ЦБ-2М (ПВВ VI класса), фактически по одному типу ВВ на класс предохранительное™, к тому же ВВ V и VI классов в России не производятся, а производятся только на Украине.

Следует отметить, что до настоящего времени нет научно-обоснованных и достоверных методов, позволяющих количественно определить влияние совокупности факторов и их параметров на предельно допустимые параметры ВВ, обеспечивающие заданный уровень предохранительное™, что подтверждается проведенным анализом аварий, произошедших на угольных шахтах с применением различных классов ПВВ. Так, до середины 60-х годов, когда на угольных шахтах применялось практически одно ПВВ IV класса -аммонит ПЖВ-20, было зарегистрировано порядка 0,4 случаев воспламенений МВС и угольной пыли на 1000 тонн израсходованного ВВ. В последнее десятилетие, когда из общего объема используемых ПВВ порядка 30% составляют ВВ V класса и около 2% ВВ VI класса, количество случаев воспламенений на 1000 тонн расходуемого ВВ снизилось всего до 0,27, при этом в забоях с повышенной опасностью по газу и пыли при применении угленита Э-6 V класса количество воспламенений остается высоким - 0,34 случаев воспламенений на 1000 тонн израсходованного ВВ.

Наряду с разработкой ПВВ исследования последних двух десятилетий были направлены на создание предохранительной среды, плотно прилегающей к забою выработки и полностью перекрывающей ее поперечное сечение. Под предохранительной средой понимают невзрывчатую (инертную) многофазную смесь, специально создаваемую в призабойном пространстве при ведении взрывных работ с целью создания таких условий взрывания, которые бы исключили аварии даже при наличии взрывоопасной рудничной атмосферы и источников воспламенения МВС и угольной пыли.

Одним из путей повышения эффективности и безопасности ведения ВР на угольных шахтах является разработка способов и средств флегматизации взрывоопасной рудничной атмосферы. Борьбу со взрывами метано-воздушных смесей можно вести:

• созданием условий, при которых исключается зарождение цепной реакции за счет отделения источника воспламенения от метана;

• обеспечением активного отвода тепла, выделяемого в окружающую среду;

• ингибированием реакции окисления метана.

Эффективность каждого из известных способов флегматизации рудничной атмосферы определяется действием в них одного или всех перечисленных методов.

Наряду с тем, что выполнено значительное количество исследований в данной области, однако на угольных шахтах, опасных по газу и пыли, в настоящее время применяется фактически только один способ флегматизации атмосферы в призабойном пространстве, за счет применения водораспылительных завес и гидрозабойки зарядов ВВ.

Многие из используемых в настоящее время в угольной отрасли технических средств предупреждения и локализации взрывов метано-воздушных смесей морально устарели и перестали удовлетворять возросшим требованиям и условиям проведения взрывных работ в шахтах. Решение этой актуальной проблемы должно основываться на изыскании новых принципов в создании более надежной технологии взрывозащиты угольных шахт, основанной на разработке способов и средств флегматизации взрывоопасной рудничной атмосферы в призабойном пространстве при ведении взрывных работ в угольных шахтах.

Принимая во внимание данные о высокой воспламеняющей способности ударных волн или высокотемпературных продуктов взрыва, в работе детально исследованы указанные признаки взрыва с целью использования их в качестве критерия предохранительных свойств ВВ.

Учитывая тот факт, что фаза сжатия относительно слабых УВ значительно меньше периода индукции и поэтому она не играет существенной роли, в качестве оценочного параметра принято давление на фронте УВ.

Проведенные исследования давления УВ при взрыве открытых зарядов позволили установить, что величина заряда,

невоспламеняющего МВС, исключая аммонит 6 ЖВ, меняется от

аммонита ПЖВ-20 до угленита П12ЦБ-2М в 100 раз, тогда как давление У В всего лишь в 2,4 раза, а работоспособность в 3,0 раза.

Кроме того, аммонит Т-19 по интенсивности УВ не укладывается в ряд предохранительности, построенный на основании данных прямых опытов по воспламенению МВС. Аммонит Т-19 по своим энергетическим характеристикам почти ничем не отличается от аммонита ПЖВ-20, и хотя в его составе имеется 20% инертного вещества, получены такие же величины давлений в УВ, как и при взрывании непредохранительного аммонита 6ЖВ, теплота взрыва которого в 1,22 раза больше теплоты взрыва Т-19.

Исследование давления УВ, образующихся при взрыве заряда ВВ в канале мортиры позволило установить, что УВ, образующиеся при истечении продуктов из канала мортиры, имеют форму полусферы, основанием в радиальном направлении, УВ через некоторое время достигает боковой стенки трубы штрека и отражается от нее.

Таким образом, проведенные исследования по изучению давления ударных волн, образующихся при взрыве открытых зарядов и помещенных в канал мортиры, показали, что несмотря на определенное различие в интенсивности ударных волн, образующихся при взрыве зарядов различных предохранительных ВВ, оценка их предохранительных свойств с использованием в качестве критерия давления ударных волн представляет определенные трудности.

Эта оценка усложняется еще тем, что имеется ряд ВВ, которые дают такую же по интенсивности ударную волну как и аммонит ПЖВ-20, а по предохранительным свойствам значительно превосходит или уступают ему. Аммонит Т-19 - ВВ IV класса предохранительности по интенсивности ударных волн оказывается равноценен

непредохранительному аммониту 6ЖВ.

При углах падения прямой УВ больше некоторого предельного значения происходит нерегулярное или маховое отражение, характеризующееся образованием новой УВ, которая называется головной волной или волной Маха.

Измерения проводились, начиная с расстояния 0,5 м от мортиры и далее через определенный интервал. При этом в пределах 1 м от мортиры на осциллограммах фиксируется только лишь УВ, создаваемая осевым скоростным напором расширяющихся продуктов взрыва. Начиная с расстояния 1,5 м, наряду с прямой фиксируется более мощная, отраженная от боковой поверхности штрека УВ, которая в промежутке 3,5 и 4,25 м догоняет первую УВ.

Анализ полученных данных показал, что различие в величинах давлений, полученных при взрыве разных по предохранительным свойствам ВВ как в прямой, так и в отраженных УВ, практически такое же как и при взрыве открытых зарядов.

Проведенные экспериментальные исследования воспламеняющего действия продуктов детонации ВВ при взрыве свободноподвешенного заряда в воздухе показали, что при фиксированном расстоянии от взрываемого заряда отношение температуры продуктов детонации к

t I

теплоте (СЙ и температуре (Г) взрыва —и— для различных

^ т

исследованных ВВ аммонита 6ЖВ, аммонита ПЖВ-20 и угленита Э-6 остаются приблизительно постоянными. Полученные результаты средних значений представлены в табл.1. Эти результаты косвенно свидетельствуют о практически одинаковом характере расширения продуктов детонации различных ВВ, не зависящем от промежуточного состояния измеренных максимальных температур располагаются соответственно энергетических показателей исследуемых ВВ. Соответствующие результаты получены и при взрывании зарядов ВВ в канале мортиры без забойки.

При взрывании заряда ВВ в метано-воздушной среде последний возбуждает в ней начальную реакцию, которая может затухнуть или закончиться воспламенением. В том и в другом случаях температура метано-воздушной среды должна повысится до значений, превышающих исходную температуру продуктов взрыва, т.е. их температуру просто в воздухе. Это вполне очевидно, так как экзотермическая реакция окисления метана даже в начальной стадии выделяет определенное количество тепла. Если условия самораспространения реакции способствуют ее дальнейшему развитию, она может перейти во взрыв, если же эти условия отсутствуют, реакция затухает. Таким образом, фиксируемая температура продуктов взрыва в какой-либо точке метано-воздушной смеси будет определяться как сумма температуры продуктов детонации в отсутствие активной среды (назовем ее активной составляющей - У и добавочной температуры, обусловленной активацией компонентов смеси и зарождением в ней начальной реакции. Разогрев смеси в соответствии ее воспламенения, очевидно, будет тем больше, чем больше химическая активностьпродуктов детонации, а добавочная температура (назовем ее реактивной составляющей у будет

Расстоя- 6 жв гакв- 20 Э-б

ние до Тепло Темпе о 0

датчи- та р зтура Iй с / г кал/ « / г сал' ■ Т°С - 1°С - / 1

ка, см шртлваа'рыза *> ¡0 в Т кг б Т кг ' '0 т

О, , 1*с

хал/кг

I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 14 15 16-

50 220 0,21 0,074 180 0,29 0,102

60 1030 2960 205 0,20 0,069 813 220 180 0,22 0,081 613 1790 165 0,26 0,091

70 185 0,18 0,063 160 0,20 0,072 135 0,21 0,074

80 160 0,15 0,054 130 0,16 0,059 75 0,12 0,043

целиком определяться химической активностью продуктов взрыва по отношению к воспламенению метано-воздушной смеси.

Очевидно, измеряемая температура возбужденной метано-воздушной среды 1В = +- и будет характеризовать предохранительные свойства ВВ, так как она зависит как от энергетической характеристики продуктов взрыва (О так и ее химической активности (1р) включающей в себя каталитическое воздействие на процессы воспламенения метано-воздушной смеси.

Таблица 2

ВВ Температура возбужденной метано-воздушной среды (°С) при концентрации метана, %

0 13 , 14 15 •

'Р «р I1»

! Аммонит ! 6ЖВ 660 495 460 295 400 235 165

I Аммонит 1 ПЖВ20

■ Угленит | Э-6 75 -45 100 -20 90 -30 120

Как видно из табл. 2 температура возбуждения метано-воздушной среды при взрыве свободноподвешенных зарядов ВВ разных классов резко отличается , в то время как при взрыве в воздухе это отличие мало. Нетрудно заметить, что основной вклад в это различие вносит реактивная составляющая. Интересно, что температура возбужденной метано-воздушной среды при взрыве угленита Э-6 ниже, чем при его взрывании в воздухе. По-видимому, это обусловлено тем, что угленит Э-6 практически не возбуждает метано-воздушную смесь. В то же время в связи с тем, что теплоемкость метано-воздушной смеси выше, чем воздуха, охлаждение продуктов взрыва в этом случае происходит быстрее, что и обуславливает отрицательные значения реактивной составляющей.

На температуру возбужденной метано-воздушной среды существенное влияние должна оказывать концентрация метана. Чем ближе концентрация метана в смеси к стехиометрической, тем, естественно, выше должна быть реактивная составляющая, а значит и суммарная температура смеси.

Полученный ряд по температуре возбужденной метано-воздушной среды при взрывании зарядов в мортире без забойки отличается от аналогичного ряда, полученного при взрывании открытых зарядов.

Последнее свидетельствует о различном характере возбуждения, а значит и воспламенения метано-воздушной среды при взрывании открытых зарядов и в канале мортиры.

При взрывании зарядов ВВ в канале мортиры в непосредственный контакт с метано-воздушной средой вступают более охлажденные продукты взрывания. По всей вероятности, в данном случае их температура не на много превосходит температуру воспламенения метано-воздушной среды. Кроме того, температура продуктов, истекающих из канала мортиры, при взрыве различных ВВ мало различаются между собой. Поэтому не исключено, что в данном случае решающую роль в процессе воспламенения взрывоопасной среды играет не температура продуктов, а их катализирующие или ингибирующие действия на этот процесс, так как в состав ПВВ добавляются вещества ингибиторы реакции окисления метана, что позволяет эффективно флегматизировать взрывоопасную шахтную атмосферу.

Многочисленными исследованиями, подтвержденными многолетней практикой, установлено, что тщательно выполненная забойка является одним из средств, снижающих вероятность аварий при взрывных работах в угольных шахтах, опасных по газу или пыли.

Забойка под поршневым действием газообразных продуктов взрыва вылетает из шпура в виде облака, состоящего из раздробленных мелких частиц и охладившихся до безопасной температуры продуктов взрыва. Смешиваясь с рудничной атмосферой, такое облако способно предотвратить распространения реакции воспламенения взрывоопасной смеси.

С целью определения флегматизирующего действия забойки в работе проведен комплекс аналитических и лабораторных исследований с промышленными испытаниями забоечных материалов на основе применения ингибиторов реакции окисления метана.

Ингибиторы должны обладать, кроме основного своего свойства подавлять горение, еще и дополнительными качествами, обеспечивающими безвредное применение и технологичность их использования.

Отрицательные катализаторы или ингибиторы разрушают (рекомбинируют) или связывают активные центры , чем способствуют обрыву цепей процесса окисления метана.

Гомогенный катализ, проходит целиком в газовый фазе, в то время как гетерогенно-каталитические реакции протекают на границе раздела фаз, в частности на поверхности твердых тел.

Перешедшие в газовую фазу молекулы порошкового ингибитора, в случае испарения, или их "осколки", в случае разложения, вступая в реакции с активными центрами Н, О, ОН, СН3 и др., могут замедлять цепной процесс распространения горения в газовой смеси.

На основании проведенного анализа определенно что все эффективные ингибиторы имеют одно или несколько общих свойств:

• они обычно являются солями щелочных металлов или аммония;

• наиболее эффективными анионами являются анионы двух типов -это галоиды и бикарбонаты, которые после разложения дают карбонаты;

• химическая связь является ионной

• это соли, имеющие низкую точку плавления или низкую температуру разложения;

• они легко разлагаются в пламени, давая новые частицы;

При определении химического состава забоечного материала основополагающими постулатами служили следующие положения.

В ряде изобретений по составу высокопредохранительных ВВ, запатентованных в ФРГ, Франции, и Бельгии приводятся данные о влиянии на вероятность воспламенения МВС количества вводимого в состав карбоната кальция, при этом предполагается протекание при взрыве следующей реакции

СаСОъ > СаО + С02

Установлено флегматизирующее действие углекислого газа на метано-воздушные смеси. Количество единиц объема С02 на единицу объема метана, подавляющего горение МВС-33,3.

Я.Б. Зельдович в теории горения газов утверждает, что при высоких температурах метан способен вступать в эндотермическую реакцию с углекислым газом.

СН4 + С02 -> 2СО + 2#2 - 5 вккал

Рядом зарубежных и отечественных исследователей определены возможные схемы реакций гомогенного ингибирования с участием углекислого газа

С02+Н-->СО+ОН

С02+0-->С0+02

со2+он—>со+но2

Б. Льюис и Г. Эльбе ингибирующее действие солей щелочных и щелочно-земельных металлов таких как КС1, NaCl, СаС03 и др. связывают с выводом из зоны реакции молекул формальдегида и окислением их в адсорбированном слое до С02 и Н20. Кроме того при

нагревании и испарении солей типа хлористого калия в газовую фазу, помимо молекул КС1 поступают и продукты их термического распада -атомы калия и хлора с возможными схемами реакций гомогенного ингибирования

КС1+Н-->К+НС1

К+ОН-->КОН

КОН+Н-->К+Н20

Так как радикал ОН является одним из ведущих активных центров реакции окисления метана, то рекомбинация его на поверхности щелочных металлов вызывает изменения кинетики реакции, что в частности, выражается увеличением температуры вспышки (Ткп) при прочих равных условиях.

На основании выполненного анализа, для проведения исследований выбраны два состава забойки шпуров: ПЗС-1С и ПЗС-2К. Качественные показатели состава ПЗС-1С: массовая доля отхода термической

обработки горючих сланцев - 70+75% карбоната кальция - 20-5-30 %, £

ПАВ (сульфанала, этаноламида СЖК, алкилсульфага жирных спиртов) -0,16+0,32%, воды (от массы порошка) - 15+20%. Качественные показатели состава ПЗС-2К: массовая доля природных карбонатов (анкерита или доломита) - 85+90%, калия хлористого - 10+15%, ПАВ (сульфанола, этаноламида СЖК, алкилсульфата жирных спиртов) -0,15+0,3%. После смешивания компонентов получается пастообразный материал, который патронируется в стандартные полиэтиленовые ампулы для гидрозабойки (ТУ 12.08.014-89).

Испытания забойки шпуров ПЗС-1С и ПЗС-2К проведены в опытном штреке ВостНИИ согласно требованиям ГОСТ7140-81. промышленные испытания забоечных материалов проведены на угольных шахтах АО «Гуковуголь», АО «Северокузбассуголь» и АО «Кузнецкуголь». Учитывая положительные результаты промышленных испытаний, Госгортехнадзор России письмом 04-35/11 от 09.01.96 г., допустил к постоянному применению, а письмом 07-12/356 от 03.06.96 г. признал забоечные материалы ПЗС-1С и ПЗС-2К основными видами забойки шпуров при производстве взрывных работ в шахтах, опасных по газу и пыли.

В настоящее время при управлении состоянием горного массива (разупрочнение кровель и т.п.) используется в основном метод скважинных зарядов. Ведение взрывных работ скважинным методом потенциально опасно из-за значительной концентрации взрывчатого вещества в ограниченном объеме (скважине) и возможности

воспламенения метано-воздушной смеси разогретыми продуктами взрыва, вырывающимися из скважины в прилагающую горную выработку, при применении гидрозабойки.

В связи с этим очень важна разработка нового вида забойки скважин на основе химических материалов, обладающих высокой флегматизирующей способностью, и методики расчета рациональных параметров забойки, обеспечивающих ведение взрывных работ в режиме полного камуфлета, когда исключается выброс разогретых продуктов детонации из скважины в прилегающую горную выработку, а следовательно возможность воспламенения метано-воздушной смеси и угольной пыли.

Для проведения ВР скважинными зарядами разработаны два забоечных состава: ЗВС-1 и ВМК-1. Состав ЗВС-1 получают на основе взрывоподавляющего порошка КСВ-30 (ТУ-6-18-1,0-87), загранулированного на промышленных грануляторах тарельчатого типа. Технологические характеристики состава (размер и прочность гранул) регулируется добавками связующих веществ, вводимых в гранулятор в процессе грануляции.

В качестве связующих применяются растворы соды Иа^С^ в количестве до 10%. Количество соды регулирует прочность, а скорость и дисперсность связующих регулирует дисперсность полученных гранул.

Состав ВМК-1 получается на основе механического перемешивания определенного количества серийного выпускаемых химических веществ: карбомида (мочевины) (Ъ1Н2)2СО и хлорида калия удобрительного КС1 с добавлением воды.

Качественные показатели состава ВМК-1: массовая доля карбомида (мочевины) - 71,0 - 78,0 %, хлорида калия - 18,0 - 23,0%; воды - 3,0 -5,0%.

Качественные показатели состава ЗВС-1: массовая доля хлористого натрия - 39-52%; углекислого кальция - 45 - 54%; раствора соды - 5-10%, поверхностно-активных веществ (ПАВ) - 0,16 - 0,32%.

Для установления закономерностей процесса и нахождения критического условия, при котором осуществляется камуфлетный взрыв скважинного заряда, потребовалась разработка теоретической модели процесса.

На основе решения уравнений гидродинамики в линеаризованной постановке, описывающих действие заглубленного заряда в жидкости, было установлено соотношение для предельной или камуфлетной глубины взрыва., известно, что эта величина пропорциональна радиусу

заряда ВВ с показателем степени от 2/3 до 1 в зависимости от масштаба взрыва.

Рассмотрим упрощенную схему для взрыва скважинного заряда ВВ, удаленного на расстояние £ 3 от свободной поверхности (здесь £ 3 длина забойки). Объем породы, имеющий форму конуса с высотой и радиусом основания £ 3 , приобретает в результате действия взрыва

среднюю скорость V.

Считая кинетическую энергию движения породного конуса пропорциональной энергии заряда ВВ, имеем

тУ2 Т. _

—=ад м

Для массы породного конуса получаем Я" Л з

пг = — р£: /2/

3 3

где р- плотность породы, а энергия скважинного заряда определяется выражением

ж с!„ яс!2

где (1о - диаметр заряда; с!с - диаметр скважины; К3 - коэффициент заряжения; £ - длина заряда; р0 - плотность ВВ; С?0 - теплота взрыва ВВ.

Поставляя в /1/ значения /2/ и /3/ получаем

зкакгРода (ЧЛ2 2 РГ VI)

или

откуда

I..

„ р0<2о

1/3

к=

г \1/3

ЗК0К3р0£)0

2 рУ\Р

у

Очевидно, что для обеспечения камуфлетного режима действия скважинного заряда необходимо, чтобы средняя скорость движения породного конуса не превышала некоторой критической величины. Такая ситуация реализуется при вполне определенной длине забойки

£, Следовательно, выражения /5/ при подстановке вместо средней

скорости V значения критической скорости V,,, представляет собой критическое условие для величины забойки скважинного заряда, обеспечивающей камуфлетное взрывание.

Это условие можно записать в виде:

Экспериментальные взрывные работы с применением новых забоечных материалов показали существенное влияние на характер и степень разрушения горного массива, режима работы заряда ВВ и забойки (полный камуфлет и случай, когда забойка из скважины выбрасывается).

При оценке размеров зон действия взрыва учесть все влияющие факторы практически не представляется возможным. Вследствие этого сделан выбор основных факторов, соответствующих упрощенной математической модели механизма разрушения.

Радиус зоны трещинообразования при взрывании скважинного заряда ВВ в режиме камуфлета в основном зависит от следующих факторов : теплоты взрыва С>0; предела прочности пород на растяжение (Тр параметров БВР, характеризующихся конструктивными особенностями заряда ВВ (диаметра заряда ¿о, длины заряда 1, массы заряда т) и забойки (длина забойки 13, масса забойки М); коэффициента заряжания К3.

Все изложенное позволяет записать функциональную зависимость

1Ц = *(бо '^р^з

Для выяснения характера связи между Ятр, С>0, стр 13 К3 воспользуемся одним из методов теории размерности - способом Рэлея.

В соответствии с теорией размерности функциональную зависимость можно представить в виде степенного уравнения

/7/

^ Ü0 ■О'р -Ц Ц

Выразив параметры Ктр, Q0, ор и 1, в Международной системе единиц (СИ) и записав формулы их размеренности, находим значения показателей степени

1111

* = 2'y = -2;Z = -2;n = ¿ тогда зависимость /7/ при подстановке соответствующих значений Q0 и 13 приобретает вид

Rtp=

1

nqlKÁdlp, +

V M J

4/ <7„

/8/

где q - удельная теплота взрыва; рз - плотность забойки. Учитывая то, что безразмерные величины lltz и m/M определяют режим работы заряда ВВ и забойки (полный камуфлет или случай, когда забойка го скважины выбрасывается), уравнение /8/ можно переписать в виде

RtP=K1

K3g(d¡p0+d^p3)

/9/

Величина коэффициента Кк , определяющего режим заряда ВВ и забойки, рассчитана по экспериментальным данным. Для условия ведения взрывных работ в режиме полного камуфлета Кк=0,61, а для режима с выбросом забойки из скважины Кк=0,57.

Решение волновой задачи в забоечном материале как в многокомпонентной среде численным методом на ЭВМ показало, что интенсивность затухания волн с расстоянием существенно зависит от

содержания в нем защемленного воздуха. Даже малое количество воздуха (несколько процентов общего объема) приводит к значительному снижению максимального давления и скорости распространения волн и одновременно к возрастанию времени ее действия; с увеличением влажности интенсивность затухания ударных волн снижается - оптимальным является 5-7 % увлажнение забоечного материала. Оптимальный размер гранул забоечного материала 2-4 мм.

Для выяснения происходящих в забоечном материале физико-химических процессов, в частности возможности изменения химического состава, а соответственно и его флегматизирующей способности при взрывном нагружении, использованы современные методы физико-химического контроля вещества: ИК-спектроскопия, рентгеновский качественный фазовый анализ.

Кроме разработанных забоечных композиций: механической смеси мочевины и хлорида калия, а также состава, включающего в себя хлористый натрий и углекислый кальций, были выполнены контрольные взрывы с применением в качестве забойки чистых монохимических веществ: сульфата аммония и хлористого кальция.

Анализ вещества, отобранных для спектроскопических исследований , проводился на спектрометре 1Л1-20 в области частот 400-1800 см*1 и 2800-3800 см"1.

ИК-спектроскопия забоечного материала проводилась для проб, взятых после взрыва на расстоянии от 0,5 до 10 м от газовой камеры с интервалом 0,5 м.

ИК-спектральные исследования забоечного материала, подверженного взрывному нагружению, дали следующие результаты:

новые полосы поглощения, соответствующие другим химическим веществам, не обнаружены;

соотношение интенсивности полос поглощения и деформационных колебаний остались без изменений.

Таким образом, можно сделать вывод об отсутствии химических изменений состава забоечного материала, при взрывном нагружении. Забоечный материал сохраняет свой химический состав, а следовательно, и флегматизирующие свойства.

Рентгеноструктурный анализ забоечного материала проводился на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3. Эти исследования дали следующие результаты:

дифрактометры образцов сульфата аммония, мочевины и состава ЗВС-1 (хлористый натрий и углекислый кальций), для образцов, не подтвержденных и подтвержденных воздействию взрыва, содержат

рефлексы, отвечающие соответствующим веществам образцов; сколько-нибудь заметных рефлексов других веществ на дифрактограммах не обнаружено;

судя по дифрактограммам всех образцов, полученных в пределах от 0,5 до 2,0 от газовой камеры, наблюдается менее высокая степень кристалличности, чем у образцов, не подверженных взрывному нагружению; следовательно, взрыв вызывает нарушение структуры материала (вещества). Для образца сульфата аммония, взятого на участке от 0 до 0,5 м, воздействие взрыва привело к перекристаллизации вещества. Для образцов, взятых на расстоянии более 2,0 м от газовой камеры , не наблюдается изменений в структуре вещества при его взрывном нагружении.

Для определения гранулометрического состава забоечного материала, обеспечивающего надежное пневмотранспортирование , были проведены экспериментальные исследования на стенде ПЭУ БВР Донбасса. В процессе стендовых исследований определялся результат транспортирования забоечных материалов ЗВС-1 трех модификаций (110 мм, 2-8 мм, 2-4 мм) и одной модификации ВМК-1 (0,5-2 мм).

Оценка надежности пневмотранспортирования базируется на стандартных процедурах обработки экспериментальных данных, основанных на получении информации об эмпирическом законе распределения показателя надежности (вероятности забивания пневмозарядчика или трубопровода забоечным материалом) и статистических характеристик распределений.

Забоечный состав ЗВС-1 с размером гранул 2-4 мм позволяет обеспечить пневмотранспортирование забоечного материала без забивания транспортной системы с надежностью 0,96 при доверительной вероятности 0,95, а для состава ВМК-1 (0,5-2 мм) с надежностью 0,98 при доверительной вероятности 0,95.

Опытно-промышленная проверка и внедрение забоечных составов скважин проводилась на 10 шахтах ПО "Донбассантрацит", "Краснодонуголь", "Донецкуголь", "Свердловантрацит", Ровенькианграцнт". В общей сложности с применением новых забоечных материалов взорвано более 100 скважинных зарядов ВВ. Заряжание скважин осуществляется монозарядами по технологии ПЭУ БВР Донбасса. Забоечный материал доставляется в скважину с помощью пневмозарядчиков ЗМК-1 или ЗМК-1А по полупроводящему шлангу 2ПГСЭ-5 диаметром 25-32 мм.

Экспериментальные взрывные работы проводились для наиболее распространенных в Донбассе диапазонов параметров скважин

диаметром 76, 93, 105, 112 и длиной 30-110 м, при применении зарядов ВВ аммонита № 6ЖВ и аммонита Т-19 диаметром 55, 65 и 70 мм.

Для выяснения характера разрушения массива при взрыве одиночных скважинных зарядов проводилось взрывание скважинных зарядов из забоя тупиковой части горной выработки с последующим вскрытием ее при проведении горной выработки шпуровым методом.

Задачей экспериментальных работ было определение характера разрушения массива в зависимости от режима работы заряда и забойки (полный камуфлет без выброса забоечного материала из скважины и взрыв скважинного заряда с выбросом забоечного материала из скважины) с оценкой геометрических параметров и последующим определением численного значения коэффициента Кк, входящего в зависимость 19/.

Статистическая обработка экспериментальных данных показала удовлетворительную сходимость (относительная погрешность не превышает 13,4%) результатов теоретических расчетов размера зоны трещинообразования по зависимости /9/ с данными шах' -тных экспериментов.

В случае полного камуфлета радиус зоны трещинообразования выше, чем в случае, когда забойка из скважины выбрасывается, в среднем на 10%. При этом для случая, когда забойка из скважины не выбрасывается, наиболее характерными являются радиальные трещины, а тангенциальные кольцевые трещины практически отсутствуют, в то время как для случая, когда забойка из скважины выбрасывается, наиболее характерными являются тангенциальные кольцевые трещины.

Новые виды забойки скважин (состав ВМК-1 и ЗВС-1) применены для трех основных технологий: разупрочнения тяжелых кровель на выемочных участках шахт (передовое торпедирование); скважинно-шпурового метода проведения тупиковых и сквозных вертикальных или крутонаклонных горных выработок; взрывообработке вмещающих горных пород выбросоопасных угольных пластов.

Известно,, что ведение взрывных работ по трещиноватым породам и углю представляет серьезную опасность в шахтах, опасных по газу и пыли.

Концентрация метана в пробах, отобранных в характерных точках трещин, шпуров, зарубных щелей, скважин на глубине от 150 до 2100 мм , находятся в пределах от 1,5 до 15% , а в отдельных случаях до 40%.

Вследствие этого, целесообразно разработать способ инертизации трещиноватого массива с целью обеспечения эффективной флегматизации призабойного пространства после отбойки угля ВВ.

Одним из способов геотехнологического воздействия на уголь в пласте является диспергирование его газообразными поверхностноактивными средствами. Поверхность сорбционно-пористого объема угля содержит множество структурных элементов сходных по строению с очень узкими капиллярами, характерный размер которых близок к радиусу действия поверхностных сил. Внутри таких структурных образований аномально высока напряженность поля поверхностных сил, из-за этого при взаимодействии угля с сорбирующимся газом в таких образованиях может происходить специфическая капиллярная конденсация сорбата. Конденсированная фаза представляет при этом систему многочисленных пространственно-распределенных включений, структурно близких к фрагментам очень тонких пленок. В объектах такого рода действует расклинивающее давление, знак и величину которого определяют ряд факторов (дисперсионная, электростатическая, структурная и др. составляющие). Положительное расклинивающее давление приводит к разупрочнению окружающего сорбат скелета сорбента - угля. Специфика такого разупрочнения состоит в том, что его характерный пространственный масштаб сравним с размерами транспортных пор. Но, поскольку количество разупрочняющих уголь жидкофазных включений очень велико, то эффект от их совместного воздействия может быть значителен. Это проявляется, например, в том, что существенно понижается прочность угля на одноосное сжатие, в ряде случаев -вплоть до порядка и более. Такое разупрочнение приводит уголь в состояние настолько близкое полностью дезагрегированному, что для перевода его в последнее достаточно приложения к углю очень малой нагрузки.

Характер разрушения угля при капиллярноподобной конденсации приводит, в частности, к ослаблению связей минеральных примесей с углем вследствие различий в величинах расклинивающего давления на границах между углем и минеральными включениями (например, пиритом) и, соответственно, жидким веществом сорбата.

Известны способы воздействия на уголь жидкими ПАВ, основанные на использовании эффекта Ребиндера, однако, преимущество воздействия газообразным агентом заключается в более легком проникновении в объем угольного массива активного вещества. Исходя из этих соображений, возможно и комплексное физико-химическое воздействие обоих типов поверхностно-активных сред. Разупрочнение и разрушение угля вследствие действия расклинивающего давления при капиллярной конденсации

газообразного сорбата создает более благоприятные условия для последующего проникновения жидкофазных ПАВ и их адсорбции т.е. для дальнейшего понижения прочности по эффекту Ребиндера. Особенно целесообразно такое комплексное воздействие при добыче прочных, с неразвитой микропористостью, углей ; в этом случае возможно и многократное, цикличное разупрочнение структуры сорбент^.

Термодинамические условия фазового перехода сорбата в пористом объеме ископаемых углей требуют особого рассмотрения. Конденсация возможна при последующих условиях: давление в газовой фазе сорбата должно быть не меньше равновесного значения Р0 при соответствующей температуре, а последняя должна быть не выше критического значения для насыщающего уголь газа. При капиллярной конденсации давление в газовой фазе повышается за счет действия поверхностных сил. Расчеты показывают, что капиллярная конденсация диоксида углерода при комнатной температуре в порах с минимальным радиусом 1,5 нм возможна при величинах относительного давления Р/Р0 не меньших 0,95 (Р0® 7,0 МПа). При этом расчеты производились, исходя из условий полного смачивания, в противном случае, Р/Р0еще ближе к единице.

Аналогичный расчет для метана (при температуре 180 °К) дает близкие значения Р/Р0 (0,98).Экспериментально измеренные значения давления Р в газовой фазе при обсуждаемом фазовом переходе дают величины Р/Р0 в диапазоне от 0,3 до 0,6. Следовательно, сорбированный газ при конденсации по описанному механизму не образует в порах угля жидкости как объемной фазы. Таким образом, рассматриваемая конденсация должна быть отнесена к капиллярным явлениям П-го рода (и получила название капиллярноподобной).

Выбор в качестве поверхностно-активного агента диоксида углерода объясняется следующими обстоятельствами . Во первых, в ряду сорбатов, взаимодействие которых с углем изучалось, диоксид углерода является наиболее активно сорбирующимся, соответственно, расклинивающее давление, возникающее в тонких пленках С02 наиболее значительно и оказывает заметное влияние на уменьшение прочности угля и, во-вторых, его критическая температура (304°К, т.е. 31°С) выше обычно наблюдаемых в шахтах значений. Вообще вопрос о температуре, необходимой для обеспечения прохождения капилляроподобной конденсации, имеет ряд сложностей. Дело в том, что угольный пласт в исходном состоянии уже насыщен смесью газов, находящихся, в том числе, и в сорбированном состоянии. Преобладающим по количеству в этой смеси в большинстве

месторождений является метан, в состав смеси входят и его высшие гомологи . Поэтому накачивание в пласт диоксида углерода сопровождается сложными процессами конкурентной сорбации с вытеснением более слабо связанных с углем компонент. При рассмотрении критической температуры вновь образующейся смеси следует учесть следующие соображения. Состав сорбированной углем фазы отличается от состава газовых проб (газ в свободном и квазисвободном состоянии) в сторону преобладания компонент с более высокой сорбционной способностью и критической температурой (т.е. в сторону высших гомологов в ряду метан-этан-пропан). Диоксид углерода при конкуренткой сорбции вытесняет относительно слабо сорбирующиеся компоненты (например, метан) и его относительное содержание в составе фазы, сорбированной в тонкой пористой структуре угля выше того содержания, которое наблюдалось бы в его смеси с тем же количеством метана, которое содержится в пласте, взятыми ( СО2 и СН4) в свободном состоянии.

Критическая температура смеси газов зависит от относительных содержаний компонент и их критических температур. Критическая температура метана 192К (-81°С), критическая температура диоксида углерода, этана и пропана, соответственно 304К (31°С), 305К (32°С) и 368К (95°С), кроме упомянутых компонент в состав сорбированной фазы входит и вода, критическая температура которой 374К (101°С).

Учет реального состава газовой смеси, находящейся в сорбционно-пористой структуре, приводит при оценке соответствующей критической температуре к значениям 278-279К. Подача в пласт дополнительного количества диоксида углерода, значительно повышает это значение.

Для выяснения происходящих физико-химических процессов в угле при диспергировании его диоксидом углерода был использован современный метод физико-химического контроля веществ ИК-спектроскопия.

Анализ веществ, отобранных для спектроскопических исследований, проводился на спектрометре 1Ж-20 в области частот 4001800 см"1 и 2800-3800 см"1. Результаты исследований приведены на рисУ 2.

Анализ полученных ИК-спектров поглощения позволил определить спектры веществ, в которых после обработки образцов появляются новые полосы поглощения, соответствующие диоксиду углерода С02. Данными соединениями оказались оксиды щелочноземельных металлов: кальция (СаО) и магния (МйО), которые входят как компоненты в золу.

Анализируя ИК-спектрограммы, приведенные на рис. 1-2 можно сделать вывод о том, что после нагнетания диоксида углерода образуются три разновидности соединений СаО. Одной из них принадлежат полосы поглощения у3(С02)=1485, У1(С02)=890 и \'5(СаО)=745см'1, другой разновидности принадлежат характеристики полосы поглощения при у6(СаО)=1495, у5(СаО)=870 и у4(СаО)=733 см" ', третьей разновидности соответствуют полосы поглощения у2(Ш)=1480, у4(СаО)=85() и у,(Са0)=717 см'1.

В ИК-спектрах оксида магния наблюдается полоса у3(М§0)=2165 см"1 и полоса при у2(С20)= у3(С20)=2 146-2140 см"1. По положению и величине изотопных сдвигов эти полосы аналогичны спектру СаО. Полоса при у1(М§0)=1472 см"1, также возникающая после адсорбции С02 на М£0, обнаруживает сходство с полосой у2(С02)=1480 см"1 третьей разновидности соединений СаО.

Изотопные сдвиги полос первой разновидности соединений СаО (группа 1) при адсорбции изотопозамещенных молекул близки к известным для свободной молекулы С02. Возможность их десорбции свидетельствует о том, что полосы группы 1 принадлежат слабо связанным молекулам С02, по положению мало отличаются от частоты колебаний свободной молекулы С02 и могут быть приписаны колебаниям неспецифически адсорбированных молекул.

Более высокочастотные полосы отождествляются с молекулами, образующими с поверхностными ионами кальция слабую координационную связь. На 1^0 частота колебаний таких молекул С02 несколько выше, чем в случае СаО, поскольку электронноакцепторные свойства Г^О выражены сильнее.

Полосы 1485 и 890 см"' можно отнести к димерам СО . Решение обратной спектральной задачи по значениям трех частот первой группы соединений СаО и их изотопных сдвигов позволило оценить значения силовых постоянных связей О-С-О в этом соединении в пределах 15 Нем"1.

Относительно низкие значения частот колебаний и силовых постоянных связей в соединении по сравнению с нейтральным С02 можно объяснить только его большим отрицательным зарядом, достигающим -2. Это подтверждается и хорошим совпадением спектров соединений второй разновидности со спектрами соединений М§С02, стабилизированных в низкотемпературных матрицах.

Рис. 1. ИК-спСктры поглощения угольных образцов (оксид кальция), не обработанных СОг (1) и обработанных (2)

Рис. 2. ИК-спехтры поглощения, угольных образцов (оксид магния), не обработанных С02 (/) и обработанных "(2)

Силовые постоянные связей О-С-О в комплексе М§С02 оказались равными 7,5 и 4,2 Н ем'1 при силовой постоянной взаимодействия связей 0,65 Н-см"1 , что близко к значениям силовых постоянных для первой разновидности поверхностного соединения, образованного оксидом кальция. Для сравнения укажем, что силовые постоянные связей О-С-О в однозарядном анионе С02 равны 12 и 9,3 Н-см"1 , а в нейтральной молекуле С02 -15,5 Н ем"1.

Обобщая результаты ИК-исследования, можно сделать вывод, что адсорбция молекул С02 происходит на поверхности щелочноземельных металлов оксида кальция и оксида магния в форме "карбонитного иона" СО 2~ с более ярко выраженными сильными адсорбционными центрами на поверхности оксида магния по отношению к оксиду кальция.

Процесс взаимодействия углекислого газа с угольным веществом, можно рассматривать как механохимический, поскольку он инициируется высоким давлением, порядка 2,5+3,0 Мпа, действующим в замкнутом объеме. Перенапряжение скелетных связей при деформации макромолекул, составляющих ископаемый уголь сопровождаемое искажением орбиталей межатомных связей боковых групп, вызывает их активизацию. Активизирующий эффект проявляется наряду с эффектом вскрытия новых, адсорбционно ненасыщенных поверхностей при механодиспергировании.

Таким образом обработка диоксидом углерода даже пластов, насыщенных в естественном состоянии, в основном метаном, позволяет управлять их состоянием, в частности повышая трещиноватость, что позволяет эффективно дегазировать пласт, а после проведения взрывных работ и разрушения угля , углекислый газ, выделяясь из отбитой горной массы попадая в призабойное пространство обеспечивает, в комплексе с распыленными ингибиторами, применяемыми в качестве забойки, флегматизацию взрывоопасной атмосферы.

Разработанный способ физико-технологического воздействия С02 на уголь в пласте, для предварительной инертизации массива, позволяющий обеспечить эффективную флегматизацию призабойного пространства при отработке угля длинными скважинами был испытан на ш. "Зиминка" АО УК "Прокопьевскуголь".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе учета комплекса технологических и физических факторов, определяющих эффективность действия детонирующего заряда ВВ и его воспламеняющую способность в условиях взрывоопасной рудничной атмосферы, теоретически обобщена и решена научная проблема разработки способа и средств флегматизации угольного массива взрывоопасной рудничной атмосферы в призабойном пространстве при ведении взрывных работ в угольных шахтах, опасных по газу и пыли. Указанная проблема имеет большое народохозяйственное и социальное значение для роста интенсивности труда и повышения безопасности в угольной отрасли.

Основные научные результаты и выводы:

1. Предложена система борьбы со взрывами метано-воздушных смесей и угольной пыли при производстве взрывных работ, на основе разработанного способа и параметры физико-технического воздействия на угольный массив углекислого газа, с целью его инертизации, что позволяет при взрывном разрушении угля эффективно флегматизировать , в призабойном пространстве взрывоопасную рудничную атмосферу в комплексе с ингибиторами реакции окисления метана используемыми в качестве забоечного материала шпуровых или скважинных зарядов ВВ .

2. Установлено, что параметры ударных волн, температура продуктов взрыва и температурные импульсы не могут быть использованы в качестве критерия однозначной оценки предохранительных свойств ВВ, решающую роль в процессе воспламенения метано-воздушной среды играет катализирующее или ингибирующее действие продуктов взрыва.

3. Наиболее эффективными взрывоподавляющими агентами, которые используются в качестве компонент забоечного материала, при метано-воздушном воспламенении являются анионы двух типов - это галоиды и бикорбанаты , которые после разложения дают карбонаты, а также непосредственно карбонаты природные (кальцит, доломит), которые при высоких температурах и давлении, в процессе взрывного воздействия, легко разлагаются на оксид кальция и углекислый газ, которому свойственно флегматизировать горючую смесь, а так же вступать с метаном в эндотермическую реакцию с поглощением тепла.

4. Разработаны пластичные забоечные материалы для шпуровых зарядов ВВ: ПЗС-1С и ПЗС-2К, на основе использования химических взрывоподавляющих композиций карбонатов, солей щелочных или щелочно-земельных металлов и галоидов обеспечивающих, как гетерогенное так и гомогенное ингибирование реакции окисления метана.

5. Разработаны гранулированные забоечные составы для механизированной забойки скважины ВМК-1 и ЗВС-1, обладающие высокой ингибирующей способностью.

6. Определены параметры забойки, обеспечивающие ведение взрывных работ скважинными зарядами ВВ, в режиме полного камуфлета без выброса забоечного материала, а соответственно и высокотемпературных продуктов детонации ВВ во взрывоопасную шахтную атмосферу. Получена зависимость для определения

критического условия полного камуфетного взрывания скважинного заряда ВВ.

7. Установлено влияние режима работы скважинного заряда ВВ и забойки (полный камуфлет - забойка выбита) на характер и степень разрушения горных пород. В случае полного камуфлета, радиус зоны трещинообразования увеличивается в среднем на 10% при этом наиболее характерными являются радиальные трещины с очень незначительной сетью концентрических трещин.

Получена зависимость для расчета радиуса зоны трещинообразования, учитывающая режим работы скважинного заряда ВВ.

8. Экспериментально установлено явление процесса конденсации газовых смесей в пористом пространстве угля при пониженных давлениях, порядка 2,5 -г3,0 МПа, по сравнению с необходимыми для конденсации смесей в свободном состоянии, с адсорбцией молекул С02 на поверхности щелочноземельных металлов оксида кальция и оксида магния, входящих в минеральную структуру угля. .

Соединения, образованные на поверхности оксидов кальция и магния, по значениям частот близки к С02 - группе, на которой сосредоточен заряд -2, и представляют собой, очевидно ионы СО 22' образующиеся в результате взаимодействия адсорбированных молекул С02 с координационно насыщенными ионами Са и По аналогии с нитритами, сульфитами и др. анионами, в которых валентность центрального атома на две единицы ниже максимально возможного значения, соединение СО 22" может быть названо "карбонитным ионом".

9. Разработан способ и параметры физико-технологического воздействия на уголь в пласте, для предварительной инертизации угольного массива, углекислым газом, что обеспечивает флегматизацию призабойного пространства после взрывного разрушения угля зарядом ВВ.

10. Реализация основных результатов работы выразилась в создании ряда отраслевых нормативно-технических документов в том числе "Руководства по ведению взрывных работ в угольных шахтах" с каталогом "Рекомендуемых паспортов ведения буровзрывных работ для угольных шахт России", "Инструкции по выбору способа и параметро! разупрочнения кровли на выемочных участках" и "Инструкция пс применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах".

Освоено серийное производство забоечных материалов ПЗС-1С I ПЗС-2К, которые допущены Госгортехнадзором России к постоянном}

применению и признаны основным видом забойки при производстве взрывных работ на угольных шахтах , опасных по газу и пыли.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Ингибиторы для взрывоподавления и горения метанопылевоздушных смесей //Разрушение взрывом и необратимые деформации горных пород: Сб. статей. - М.,ИГД им. A.A. Скочинского 1997. - С. 40-48.

2. О критическом условии камуфлетного взрывания скважинного заряда /Горное давление, горные удары и сдвижение массива: Сб. науч. тр. - ВНИМИ, 1996 - с. 53-57.

3. Руководство по ведению взрывных работ в угольных шахтах. М. ИПКОН РАН, 1996 (соавтор ГШ. Кушнеров) 203 с.

4. Рекомендуемые паспорта ведения буровзрывных работ для угольных шахт России. - М. ИПКОН РАН, 1996 (соавторы П.И. Кушнеров, А.Н. Чаевский, В.И. Буханов и др.) - 70 с.

5. О применении химических активных забоечных материалов на шахтах Донбасса. //Сборник докладов Х- Юбилейного Всесоюзного совещания "Совершенствование буровзрывных работ в народном хозяйстве" - М.: ЦП ВНТГО, АН СССР, 1988. С.60

6. Забоечный состав на основе отходов химического производства // И.Л. Ворошиловград: ЦНТИ, 1989 - 4 с.

7. Проведение горных выработок по крепким породам скважинно-шпуровым методом на шахтах Донбасса // Система ДОР,-Ворошиловград: ЦНТИ, 1988 (Соавторы H.H. Гапонов, И.Д. Калимулин) - 15 с.

8. Проведение сквозных вертикальных выработок с помощью взрыва системы скважинных зарядов взрывчатых веществ на шахтах Донбасса// Система ДОР.- Ворошиловград: ЦНТИ, 1988 (Соавторы H.H. Гапонов, И.Д. Калимулин) - 13 с.

9. Новые забоечные материалы // Система ДОР.- Ворошиловград: ЦНТИ, 1989 (Соавторы H.H. Гапонов, Ю.Н. Курченко) - 16 с.

10. Инструкция по выбору способа и параметров разупрочнения кровли на выемочных участках. - JL: ВНИМИ, 1989 (соавторы С.Т Кузнецов, Ю.Л. Семенов и др.) - 178 с.

11. О глубоком ступенчатом врубе и забойке шпуров // Информационное письмо. - Донецк: ЦЕНТ Минуглепрома СССР, 1989 (соавторы H.H. Гапонов, Е.М. Гарцуев, Д.Ф. Доценко). - 4 с.

12. A.c. 1605676. Забоечный материал /A.B. Джигрин, Д.Ф. Доценко/

-Заявл. 21.03.1989. ДСП.

13. A.c. 1722088. Способы проходки подземных горных выработок. /A.B. Джигрин, Д.Ф. Доценко, H.H. Гапонов и др./

-Заявл. 12.12.1989. ДСП.

14. Управление состоянием угля с использованием последствий капиляроподобной конденсации газов. //Сб. научных тр. Вып. 2. - М.: Информационно-аналитический центр горных наук, 1992. (соавторы Астахов A.B., Широчин Д.Л., Эделыдтейн O.A.) С. 114-119.

15. Особенности разупрочнения диоксидом углерода угля в условиях сложного напряженного состояния // Сб. докладов X Международной конференции по механике горных пород. - М. РАН 1993 г. (соавторы Эдельштейн O.A., КовороваВ.В.) - С. 89.

16. Нетрадиционная технология управления состоянием горного массива с использованием физико-химического воздействия диоксида углерода на уголь //Горный вестник №1, 1994. (соавторы Н.Ф. Ткаченко, O.A. Эдельштейн) - С. 59-63.

17. Экологически чистое оборудование для производства диоксида углерода и диспергирования угля. // Горный вестник. №2, 1994.(соавторы Н.Ф. Ткаченко, O.A. Эдельштейн) - С. 49-52.

18. Управление напряженно-деформированным состоянием массива диспергированием угля диоксидом углерода. И Сб. Докладов Всероссийской конференции «Управление напряженно-деформированным состоянием массива горных пород при открытой и подземной разработке месторождений полезных ископаемых» Новосибирск - Екатеринбург; РАН , 1994 г. (соавторы Эдельштейн O.A., Семенов Ю.А., Шоболова Л.П.) С.76.

19. Перспективы использования диоксида углерода для управления состоянием углепородного массива. - М. ; РАН, ИГД им. A.A. Скочинского, 1994 (соавторы Эдельштейн O.A., Коворова В.В. Ткаченко Н.Ф. и др.) 33 с.

20. Разгрузка приконтурного массива горных выработок диспергированием угольного пласта диоксидом углерода.- М. ; РАН, ИГД им. A.A. Скочинского, 1994 (соавторы Эдельштейн O.A., Ф.А. Чаквитадзе и др.) 22 с .

21. Патент РФ № 2053369. Способ разупрочнения угольного массива /A.B. Джигрин, O.A. Эдельштейн, A.B. Астахов и др.

-Заявл. 28.12.91. Опубл. 27.01.96 Бюл. №3.

22. A.C. № 1466246. Скважинный взрывной сигнализатор перемещения фронта огневого забоя. /A.B. Джигрин, В.Л. Шкуркиник, С.Л. Потапов и др. - заявлено 24.03.1987 . Для служебного пользования.

23. Патент РФ № 2078927. Способ разгрузки приконтурного массива горных выработок и кумулятивный заряд взрывчатого вещества для образования начальных трещин. /A.B. Джигрин, Ю.А. Семенов, С.Т. Кузнецов и др. - Заявлено 24.07.1994 г., опубл. 10.05.97, Бюл. № 13.

24. Патент РФ № 2082886. Способ разупрочнения угольного пласта, (варианты) /A.B. Джигрин, Н.Ф. Ткаченко, A.C. Хрулев и др. - Заявлено 28.07.1995 г., опубл. 27.06.97, Бюл.№ 18.

25. Временная инструкция по применению сотрясательного взрывания в угольных шахтах: - М. Кемерово ВостНИИ, 1996 (соавторы П.И. Кушнеров, B.C. Зыков, В.И. Климов и др.) - 48 с.

26. Шахтные испытания технологии диспергирования угольного пласта диоксидом углерода /Горное давление, горные удары и сдвижение массива: Сб. науч. тр. - ВНИМИ, 1996 - (соавторы Ю.А. Семенов, Н.Ф. Ткаченко, O.A. Эдельштейн и др.) с. 76-84.

27. Закономерности формирования напряженного состояния горного массива вокруг подготовительных выработок при диспергировании угольного пласта диоксидом углерода. (Сб. докладов П Международного рабочего совещания. Проблемы геодинамической безопасности. Сб.: ВНИМИ, 1997 (соавтор Н.В. Ткаченко) С. 129-132.

28. Влияние диоксида углерода на изменение прочности и структуры угля. // Сб. докладов 8-й Международной конференции "COAL SCIENCE": г. Овьедо, Испания 1995 г. (соавтор Ткаченко Н.Ф.) - С. 11-20.

29. Особенности механизма разупрочнения ископаемого угля диоксидом углерода. - Химия твердого топлива. - 1995. - №2. (соавторы В.В. Коворова, O.A. Эдельштейн) - С. 18-21.

30. Изменение структуры угля под действием диоксида углерода. Результаты и перспективы промышленного использования /Сб.докладов 9-й Международной конференции " COAL SCIENCE ". г. Эссен, Германия, 1997. (соавтор Н.Ф. Ткаченко) - С. 52-55.

3 3