Введение к работе
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.
-
Разработка технологических параметров буровзрывных работ скважинными зарядами и методов их расчета с внедрением на угольных шахтах, опасных по газу и пыли.
-
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 ингибирование 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 радігус 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 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 инергизации, 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 и 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 з 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. А.А. 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 , А.В. Астахову, канд. техн. наук П.И. Кушнерову, В.П. Доманову, О.А. Эделылтейну и Д.Л. Широчину.