Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ оборудования, предназначенного для пневмозаряжания шпуров и скважин непатронированными взрывчатыми веществами в подземных условиях, а также состояния теоретических исследований протекающих в них процессов 18
1.1. Классификация конструкций механизмов, предназначенных для заряжания шпуров и скважин непатронированными взрывчатыми веществами 18
1.2. Классификация способов и средств борьбы с пылью и статическим электричеством, применяющихся в промышленности 24
1.3. Состояние теоретических исследований процесса пневмотранспорта непатронированных материалов подобных непатронирован-ным взрывчатым веществам 35
1.4. Выводы и обоснование необходимости разработки новых механизмов 39
2. Выбор, обоснование и оптимизация, разработка и испытание элементов конструкций камерных пневмозарядчиков 48
2.1. Планирование, постановка и обработка результатов экспериментов 48
2.2. Компоновка и форма камеры пневмозарядчика 54
2.2.1. Технические требования к заряжающим механизмам 54
2.2.2. Форма и размеры камеры пневмозарядчика 55
2.2.3. Загрузочный узел камеры зарядчика 59
2.2.4. Обоснование необходимости и целесообразности наличия запорной арматуры пневмозарядчика 61
2.3. Устройства оперативного управления работой пневмозарядчика 66
2.3.1. Пневматическое дистанционное управление подачей
взрывчатого вещества в зарядный шланг 68
2.3.2. Электрическое дистанционное управления работой пневмозарядчика 71
2.3.3. Электрическое дистанционное управление работой пневмозарядчика и подачей взрывчатого вещества внутрь зарядного шланга 73
2.3.4. Система автоматического отключения камерного пневмозарядчика от сети сжатого воздуха при окончании или отсутствии ВВ в камере 75
2.4. Транспортный узел зарядчика 78
2.4.1. Опора зарядчика для ручной переноски 78
2.4.2. Транспортная тележка на пневмо-колесно-рельсовом ходу 78
2.4.3. Самоходная база 80
2.5. Узел воздухоподготовки 81
2.6. Различные конструкции аэраторов камерных пневмозарядчиков, а также технические требования к аэраторам и их расчет 84
2.6.1. Аэраторы камерных пневмозарядчиков и технические требования к ним 84
2.6.2. Аэраторы в виде плоского ложного днища и определение места расположения аэрирующих отверстий на его поверхности 89
2.6.3. Аэраторы в виде цилиндроконического ложного днища и определение места расположения аэрирующих отверстий на его поверхности 94
2.6.4. Трубчатый аэратор, располагаемый по оси камеры, и определение места расположения аэрирующих отверстий на его поверхности 97
2.6.5. Трубчатый аэратор, располагаемый по внутренней по
верхности цилиндроконической камеры и определение места
расположения аэрирующих отверстий на его поверхности 101
2.7. Конструкции увлажняющих устройств и их испытания 107
2.7.1. Исследования мембран, предназначенных для использования в увлажняющих устройствах 107
2.7.2. Общие положения и разработка технических требований к увлажняющим устройствам и камерным зарядчикам 110
2.7.3. Устройства ПЖЗШ-2 (Ардон-2) для увлажнения гранулированных ВВ при пневмозаряжании камерными зарядчиками небольшой ёмкости 113
2.7.4. Устройства ПЖЗШ-3 (Ардон-3) для увлажнения гранулированных ВВ при пневмозаряжании зарядчиками барабанного или роторного типа 118
2.7.5. Устройства ПЖЗШ-4 (Ардон-4) для увлажнения гранулированных ВВ при пневмозаряжании камерными зарядчиками большой ёмкости 121
2.7.6. Камерные пневматические зарядчики КПЗП-1 (Кавказ-1) и КПЗП-4 (Кавказ-4) со встроенной системой увлажнения для заряжания гранулированных ВВ 124
2.7.7. Теоретические исследования мембранных увлажняющих устройств 128
2.7.8. Увлажняющие устройства для эжекторных пневмозарядчиков 138
2.8. Средства и способы улучшения санитарно-гигиенических условий труда и повышение безопасности работ при пневмозаряжании гранулированных взрывчатых веществ 139
2.8.1. Общие положения и разработка технических требований к смачивающим жидкостям и их компонентам 139
2.8.2. Смачивающие жидкости для условий положительных температур и взаимодействие их с компонентами гранулированных ВВ 141
2.8.3. Смачивающие жидкости для условий отрицательных температур и их взаимодействие с компонентами гранулированных ВВ 148
3. Теоретические исследования работы камерного пневмозарядчика при продувке шпуров и скважин в условиях установившегося режима течения процесса по системе обще шахтная магистраль - воздухопод- водящий шланг - камера пневмозарядчика - зарядный шланг - шпур или скважина 152
3.1. Работа камерного пневмозарядчика в установившемся адиабат
ном термодинамическом режиме 157
3.1.1. Разработка математической модели работы зарядчика 161
3.1.2. Графическое представление адиабатного течения сжатого воздуха по системе при продувке шпуров 167
3.1.3. Графическое представление адиабатного течения сжатого воздуха по системе при продувке скважин 168
3.2. Работа камерного пневмозарядчика в случае изотермического термодинамического процесса 170
3.2.1. Разработка математической модели работы зарядчика 170
3.2.2. Графическое представление изотермического течения сжатого воздуха по системе при продувке шпуров 185
3.2.3. Графическое представление изотермического течения сжатого воздуха по системе при продувке скважин 186
3.3. Работа камерного пневмозарядчика в случае адиабатного течения по местным сопротивлениям и изотермического его течения по системе 188
3.3.1. Общие положения смешанного течения сжатого воздуха по системе 188
3.3.2. Разработка математической модели работы зарядчика в случае смешанного его течения по системе 194
4. Теоретические исследования работы камерного пневмозарядчика в процессе пневмозаряжания шпуров или скважин в установившемся режиме движения смеси сжатого воздуха с взрывчатым веществом по рассматриваемой системе 213
4.1. Разработка математической модели опорожнения камеры зарядчика в процессе пневмозаряжания шпуров или скважин 213
4.2 Графическое представление работы камерного пневмозарядчи-ка в процессе пневмозаряжания шпуров в установившемся режиме движения смеси сжатого воздуха с взрывчатым веществом по рассматриваемой системе 221
4.3 Графическое представление работы камерного пневмозарядчи-ка в процессе пневмозаряжания скважин в установившемся режиме движения смеси сжатого воздуха с взрывчатым веществом по рассматриваемой системе 223
4.4. Теоретические исследования работы камерного пневмозаряд-
чика в процессе заряжания шпуров и скважин пластичными взрывчатыми веществами 224
5. Совершенствование средств механизации заряжания скважин гра нулированными ВВ 230
5.1. Модернизация зарядчика ЗМК-1А (скважинный вариант) 230
5.2. Двухкамерный пневмозарядчик с ручным управлением 232
5.3. Двухкамерные пневмозарядчики с автоматическим управлением 234
5.4. Доставочно-зарядная машина ДЗМ-1Т (Баксан-1) 245
5.5. Доставочно-зарядная машина ДЗМ-2Т (Баксан-2) 249
5.6. Доставочно-зарядная машина ДЗМ-ЗТ (Баксан-3) 251
5.7. Доставочно-зарядная машина ДЗМ-4Т (Баксан-4) 252
5.8. Доставочно-зарядная машина ДЗМ-5Т (Баксан-5) 253
6. Результаты лабораторных исследований и промышленных испытаний, разработанных средств и способов пневмозаряжания гранулированных взрывчатых веществ 255
6.1. Лабораторные исследования устройств ПЖЗШ (Ардон) и пнев-мозарядчиков КПЗП (Кавказ) 255
6.2. Методика и основные результаты промышленных испытаний устройств ПЖЗШ (Ардон) и смачивающих жидкостей 263
6.3. Технико-экономическая эффективность внедрения, предложенных разработок 265
Заключение 272
Список использованной литературы
- Классификация способов и средств борьбы с пылью и статическим электричеством, применяющихся в промышленности
- Обоснование необходимости и целесообразности наличия запорной арматуры пневмозарядчика
- Аэраторы камерных пневмозарядчиков и технические требования к ним
- Графическое представление адиабатного течения сжатого воздуха по системе при продувке скважин
Введение к работе
настоящее время прочно заняли свои позиции при отбойке горной массы,
особенно в очистных забоях. Этому способствуют, во-первых, их хорошая
сыпучесть и транспортируемость по зарядным шлангам, во-вторых,
возможность их механизированной доставки в заряжаемый забой от заводов
изготовителей, в-третьих, простота состава, позволяющая приготавливать их
из местного сырья в непосредственной близости от потребителя. Однако эти
взрывчатые вещества обладают рядом таких недостатков, как расслоение в
процессе пневмотранспорта, приводящее к отклонению состава внутри
взрывной полости от засыпанного в камеру зарядчика, и, как следствие, к
отказам; кроме того эти взрывчатые вещества электризуются и пылят, что
приводит к повышенной запыленности призабойного пространства,
ухудшающей экологическую обстановку и к возможной неуправляемой
детонации взрывчатого вещества внутри заряжаемого объема с передачей
детонации на остальное - еще не заряженное. Этих недостатков лишены
пластичные взрывчатые вещества, но они не имеют хорошей сыпучести и
транспортируемости, присущих гранулированным взрывчатым веществам
(ГВВ).
Существует большое число разнообразных заряжающих машин и механизмов, обеспечивающих доставку ГВВ внутрь шпуров и скважин и заполнение их до необходимого уровня. Однако о конструкциях для заряжания пластичными взрывчатыми веществами в непатронированном виде до последнего времени не было известно.
Отсутствие теории процессов, происходящих внутри зарядчика, приводит к ситуации, когда сконструированные и выпускающиеся серийно пневмозарядчики были сняты с производства из-за их неработоспособности, сбоев и неустойчивой работы. Некоторые пневмозарядчики были снабжены
блоками пневмоавтоматики, предназначенными для отслеживания процессов и обеспечения устойчивого их протекания. Однако сложность таких блоков, а также неадекватность их применения ожидаемым результатам привели к снятию ее с производства и замене на более простое управление процессом.
Таким образом, развитие теоретических основ создания и конструирования, обоснование и выбор направлений совершенствования и разработки пневмозарядчиков для заряжания шпуров и скважин непатронированными (гранулированными и пластичными) взрывчатыми веществами в подземных условиях остается весьма актуальной задачей. Эта актуальность усиливается еще и тем обстоятельством, что основные производители зарядной техники для подземных работ после распада СССР оказались за рубежом.
Целью настоящей работы является обоснование и выбор направлений совершенствования и разработки пневмозарядчиков для заряжания шпуров и скважин непатронированными взрывчатыми веществами (включая и пластичными) в подземных условиях, повышающих качество функционирования и надежность работы этих пневмозарядчиков, их эффективность, а также значительно снижающих техническую и экологическую опасность применения, как способа, так и конкретных механизмов для механизации взрывных работ.
Идея работы состоит в развитии: теоретических основ создания и конструирования камерных пневмозарядчиков за счет оптимизации входящих в его конструкцию элементов; теоретических и экспериментальных исследований термодинамических процессов, протекающих внутри разомкнутой системы: обще шахтная магистраль сжатого воздуха - воздухоподводящий шланг - камерный зарядчик -зарядный шланг - заряжаемая полость (шпур или скважина) как при продувке рассматриваемой системы сжатым воздухом, так и при
транспортировании взрывчатого вещества внутрь шпура или скважины, а также установления закономерностей, связывающих эти процессы с конструкцией и размерами основных узлов и деталей зарядчика, и использование этих результатов при разработке, как конкретных узлов и деталей, так и пневмозарядчиков в целом.
Методы исследований включают анализ и научное обобщение отечественной и зарубежной технической и патентной литературы, аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики, гидравлики, аэро- и гидротранспорта, а также современных компьютерных программ, например, MathCAD 6,0+, Delfi и др., при просчетах теоретических положений диссертации и проведении аналитических исследований, лабораторных экспериментов, опытно-промышленных и промышленных испытаний, а также использование при их проведении математического планирования и обработки их результатов.
Научные положения, разработанные соискателем:
Энергия перемещения взрывчатого вещества в зарядчике и по зарядному шлангу внутрь заряжаемой полости и ее характер (пневматическая, механическая и пневмомеханическая) являются определяющим признаком, подразделяющим конструкции заряжающих механизмов на классы, а конструктивные особенности - по типу, причем вид взрывчатого вещества (патронированные и непатронированные) является основным признаком, подразделяющим зарядчики по их виду.
Наилучшее псевдоожижение взрывчатого вещества может быть обеспечено максимальной скоростью струй воздуха, вытекающих из отверстий аэратора, что возможно при соблюдении условий неравенства, при котором сечение входного отверстия в камеру зарядчика должно быть больше или равно сумме сечений отверстий в аэраторе, которая в свою
очередь должна быть больше или равна сечению выходного отверстия камеры.
3. Перепад давлений сжатого воздуха в камере зарядчика и в выходном
отверстии является определяющим параметром для поддержания заданного
соотношения жидкости и гранулированного взрывчатого вещества при его
увлажнении в процессе пневмозаряжания шпуров и скважин.
4. В процессе теоретических исследований продувки системы обще
шахтная магистраль - воздухоподводящий шланг - камерный зарядчик -
зарядный шланг - шпур или скважина сжатым воздухом установлено, что во
входном отверстии камеры зарядчика, в выходном сечении зарядного
шланга в каждом из них отдельно или в них обоих одновременно может
установиться критическое давление воздуха со скоростью истечения в нем
равной местной скорости звука и максимально возможным расходом.
5. В процессе теоретических исследований процесса разгрузки
камерного зарядчика от взрывчатого вещества в процессе пневмозаряжания
шпуров и скважин установлено, что основная масса взрывчатого вещества
выходит из камеры в момент сравнивания плотности смеси взрывчатого
вещества с воздухом в камере зарядчика с плотностью потока внутри
зарядного шланга.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
представительным объемом экспериментальных исследований и опытно-промышленных испытаний за 32-летний период (1972-2004 гг.), разработанных элементов и конструкций зарядчиков в целом;
согласованностью результатов экспериментальных данных и теоретического анализа работы камерных зарядчиков (расхождение результатов не превышает 10 %);
адекватностью математических моделей расчета и прогнозирования
обобщенного показателя эффективности работы камерных
пневмозарядчиков при заряжании скважин и шпуров непатронированными взрывчатыми веществами (относительная погрешность расчетов не превышает 10 %);
обработкой экспериментальных данных исследований на ЭВМ с помощью методов теории вероятности и математической статистики, математического планирования эксперимента и корреляционно-регрессионного анализа (значимость коэффициентов корреляции в уравнениях регрессии определена при доверительной вероятности 0,95);
положительными результатами внедрения разработанных элементов и конструкций пневмозарядчиков в целом при механизации взрывных работ на подземных горнодобывающих предприятиях.
Научная новизна, заключается в следующем:
1. При классификации заряжающих механизмов учтен вид
транспортируемого взрывчатого вещества (патронированные или
непатронированные), учтены технологический признак (цикличного или
непрерывного действия), характер и энергия, воздействующая на
транспортируемое взрывчатое вещество (механическая, пневматическая или
пневмомеханическая), причем последнему отведено определяющее значение,
а конструктивным особенностям - зависимое, при этом вид энергии привода,
а также различия в размерах и объеме игнорированы как
классификационные признаки, но введены признаки, определяющие
характер движения взрывчатого материала внутри камеры камерного
зарядчика (с нижней или верхней разгрузкой).
2. Каждое отверстие аэратора располагается таким образом, чтобы
струя вытекающего из него сжатого воздуха охватывала равную площадь
поверхности аэратора (днища), выполненного в виде плоского или
конического ложного днища, или равный объем усеченного конуса в случае применения трубчатого аэратора внутри цилиндроконической камеры, причем неважно, где этот трубчатый аэратор расположен - посередине камеры или вдоль стенок конического днища.
3. Перепад давлений в камере зарядчика и в ее выходном отверстии
отслеживается мембраной, являющейся чувствительным и одновременно
исполнительным элементом принципиально новой конструкции
пневмомеханического мембранного или мембранно-эжекторного
увлажняющего механизма.
Используя известные закономерности гидравлики и гидроаэромеханики, система воздухоподводящий шланг — камера пневмозарядчика - зарядный шланг — заряжаемая скважина или шпур теоретически исследована при продувке шпуров и скважин сжатым воздухом при различных термодинамических процессах течения сжатого воздуха по системе с учетом расширения сжатого воздуха: адиабатном во всех элементах системы; изотермическом во всех элементах системы; адиабатном в местных сопротивлениях и изотермическом по длине трубопроводов и внутри камеры зарядчика.
Используя известные закономерности гидравлики и гидроаэромеханики, система воздухоподводящий шланг — камера пневмозарядчика - зарядный шланг - заряжаемая скважина или шпур теоретически исследована при пневмозаряжании шпуров и скважин с учетом расширения сжатого воздуха во всех элементах системы.
Научная новизна научных положений подтверждена 12 авторскими свидетельствами СССР и патентом России на изобретение.
Научное значение работы состоит в том, что:
1. Предложенные классификационные признаки позволили разработать классификацию конструкций всех без исключения известных заряжающих
механизмов и устройств, предопределяя появление новых с заданными свойствами и характеристиками, в которой каждая конструкция занимает строго определенное ее видом, классом и типом положение.
Выявленное соотношение сечений входного отверстия камеры зарядчика, суммарной площади отверстий в аэраторе и в выходном отверстии камеры обеспечивает подпор воздуха в каждом из указанных сечений, обеспечивая, в свою очередь, равномерное распределение сжатого воздуха между всеми отверстиями аэратора и максимальную энергию потока вытекающей из отверстия аэратора струи сжатого воздуха, а это предопределяет полное псевдоожижение материала внутри камеры зарядчика, даже такого тяжелого как пластичное - акванит, насыщая его в виде губки и обеспечивая возможность равномерной и бесперебойной подачи взрывчатого вещества внутрь зарядного шланга с последующей полной выгрузкой его из камеры.
Применение мембраны в качестве чувствительного элемента увлажняющего механизма, включенного между входным и выходным отверстиями камеры, то есть параллельно последней, во-первых, обеспечило упрощение конструкции за счет того, что мембрана одновременно обеспечивает подачу жидкости внутрь потока взрывчатого вещества с воздухом, движущегося по зарядному шлангу, во-вторых, обеспечило автоматическое поддержание заданного соотношения смачивающей жидкости и смачиваемого взрывчатого вещества, а это, в свою очередь, вместе с турбулентным совместным движением по зарядному шлангу обеспечивает равномерное увлажнение взрывчатого вещества предотвращая расслоение последнего, вынос его компонентов в призабойное пространство и электризацию потока.
Установленная возможность возникновения скорости потока на входе в камеру зарядчика, на выходе из зарядного шланга внутрь скважины
или даже в этих сечениях одновременно равной скорости звука в нем дает возможность предположить, что такие явления реальны при окончании процесса пневмозаряжания скважин, когда в транспортном потоке уменьшается концентрация взрывчатого вещества, а это грозит возможностью взрыва легковоспламеняющихся компонентов остающихся в потоке в конце процесса из-за выделения энергии при переходе скоростью потока сверхзвукового барьера. Уменьшающая температура потока в этих сечениях приводит к конденсации влаги, содержащейся в сжатом воздухе, которая в указанных условиях при прохождении местных сопротивлений может замерзнуть, что увеличивает условия для электризации потока. При транспортировании ВВ наличие частиц механической смеси гранулированного взрывчатого вещества в потоке облегчает начало конденсации, так как они являются центрами конденсации.
5. Выявленная закономерность, что основная масса взрывчатого вещества выходит из камеры в момент сравнивания плотности смеси взрывчатого вещества с воздухом в камере зарядчика с плотностью потока внутри зарядного шланга позволяет определить техническую производительность камерного зарядчика, а также определить точку срабатывания автоматики при разработке двухкамерного автоматического зарядчика.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
Разработаны классификации пневмозарядчиков, способов и средств борьбы с пылью, способов и средств борьбы с электризацией, увлажняющих устройств при пневмозаряжании шпуров и скважин гранулированными взрывчатыми веществами упрощающие изучение классифицированных процессов и механизмов.
Разработаны технические требования для разработки
унифицированного камерного зарядчика для заряжания шпуров и скважин
непатронированными взрывчатыми веществами, исследованы, логически и теоретически оптимизированы все элементы, входящие в конструкцию камерного пневмозарядчика облегчающие создание, разработку, исследование и эксплуатацию камерных пневмозарядчиков.
Разработаны технические требования для разработки увлажняющих механизмов в процессе пневмозаряжания шпуров и скважин гранулированными взрывчатыми веществами облегчающие создание, разработку, исследование и эксплуатацию подобных механизмов.
Разработан и изготовлен унифицированный камерный пневмозарядчик КПЗП (Кавказ) для заряжания шпуров и скважин непатронированными взрывчатыми веществами, включая пластичные.
Разработаны, изготовлены, исследованы и внедрены увлажняющие устройства ПЖЗШ (Ардон) для применения с любыми пневмозарядчиками практически без их переделок.
Разработаны, изготовлены, исследованы и внедрены смачивающие жидкости для увлажнения любых гранулированных взрывчатых веществ в различных условиях применения (положительных и отрицательных температур).
Разработана, изготовлена, исследована и внедрена доставочно-зарядная машина ДЗМ-1Т (Баксан-1) для доставки и заряжания гранулированных взрывчатых веществ в скважины очистных забоев.
Разработана и изготовлена доставочно-зарядная машина ДЗМ-2Т (Баксан-2) для доставки патронированных и гранулированных взрывчатых веществ, а также средств взрывания в проходческие забои и заряжания ими шпуров.
По разработанным математически моделям расчета аэраторов составлена программа на ЭВМ, позволяющая легко исследовать и выбрать необходимые параметры любой конфигурации аэраторов (плоское ложное
днище, цилиндроконическое ложное днище, трубчатый аэратор, располагаемый как по центру, так и по стенкам камеры), применение которых возможно в камерных зарядчиках или камерных насосах.
По разработанным математическим моделям поведения сжатого воздуха в системе: воздухоподводящий шланг - камера пневмозарядчика — зарядный шланг - заряжаемая полость (шпур или скважина) при ее продувке с различными термодинамическими режимами: адиабатным во всех элементах системы, изотермическом во всех элементах системы и комбинированным - адиабатном в местных сопротивлениях и изотермическом внутри камеры и по длине трубопроводов составлены программы расчетов на ЭВМ, позволяющие легко исследовать любую конфигурацию изучаемой системы и получить графические зависимости давления, расхода и скорости сжатого воздуха по длине системы.
По разработанной математической модели разгрузки камеры пневмозарядчика при пневмозаряжании шпуров и скважин гранулированными взрывчатыми веществами составлена программа расчетов на ЭВМ, позволяющая легко исследовать любую конфигурацию изучаемой системы и получить графические зависимости давления, расхода и скорости потока ГВВ с сжатым воздухом от времени опорожнения камеры.
Реализация выводов и рекомендаций. Разработанные при выполнении диссертационной работы рекомендации, увлажняющие устройства ПЖЗШ (Ардон), смачивающие жидкости и доставочно-зарядная машина ДЗМ-1Т (Баксан-1) допущены Госгортехнадзором СССР к постоянному применению и внедрены на Садонском СЦК, Урупском ГОКе и Тырныаузском ВМК, а пневмозарядчик КПЗП (Кавказ), рекомендуемый в настоящей работе как унифицированный, и доставочно-зарядная машина ДЗМ-2Т (Баксан-2) к промышленным испытаниям.
Институт НИПИГормаш согласился с рекомендациями, изложенными в настоящей работе, по изменению конструкции разработанного им зарядчика ЗМК-1, что дало возможность использовать последний при заряжании скважин на Урупском руднике УГОКа.
Фактический экономический эффект от внедрения увлажняющих устройств и смачивающих жидкостей на указанных предприятиях в период с 1977 по 1981 гг. составил 410 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на техсоветах институтов: Гипроникель (Санкт-Петербург, 1976), МАК НИИ (Макеевка, 1977, 1979), ЦНИГРИ (Тырныауз-Москва, 1972-1982), НИПИГормаш (Екатеринбург, 1976, 1978), ВостНИИ (Кемерово, 1981), ДГИ (Днепропетровск, 1982), Минцветмета СССР и Госгортехнадзора СССР (Москва, 1977, 1979, 1981) и предприятий: Востокмашзавода (Усть-Каменогорск, 1979), ЛПК (Лениногорск, 1979, 1982), ССЦК (Мизурский, 1975-1980), УГОКа (Медногорский, 1976-1982, 1995), ТВМК (Тырныауз, 1978-1994), ОНТК СКГМИ (Владикавказ, 1972-2004), ВиМС Использование энергии взрыва на объектах мелиоративного строительства и на открытых горных работах (Киев, 1979, Москва, 1991), ВШПО Опыт применения комплексной механизации взрывных работ (Балхаш-Москва, 1981), НТС Пути совершенствования технологии горных работ на карьерах предприятий вольфрамомолибденовой промышленности (Каджаран-Ереван, 1981), НТС Новая техника и технология на горных предприятиях цветной металлургии (Каджаран-Ереван, 1983), НТС Использование энергии взрыва в народном хозяйстве (Батуми-Тбилиси, 1981), V Всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газовым) приводам и системам управления (Тула, 1986), НТК Эффективность и безопасность БВР на карьерах цветной металлургии (Пышма-Свердловск, 1986), ВНТК Разработка и внедрение средств комплексной механизации и автоматизации
проведения горных выработок (Рудный, 1987), НТС Применение ресурсосберегающей техники и технологии на карьерах цветной металлургии (Кафан-Ереван, 1988), 1-м ВС Технологические и экологические проблемы создания горнопромышленных комплексов (Владикавказ, 1990), МК Теоретические и практические вопросы приложения начертательной геометрии в горном деле и геологии для решения инженерных и научных задач (Владикавказ, 1994), ІІ-ой МК Безопасность и экология горных территорий (Владикавказ, 1995), МНТК Крайний север-96. Технология, методы и средства (Норильск, 1996).
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР СКГМИ на 1972-1994 гг., утвержденным Минцветметом СССР и Госкомвузом России.
Публикация. По результатам исследований, выполненных по теме диссертационной работы, опубликовано 73 научных труда, в том числе 4 монографии и 12 авторских свидетельств СССР и патентов России на изобретения.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения, библиографического списка из 224-х наименований и 1-го приложения, изложенных на 306-ти страницах машинописного текста, включая 19 таблиц, 93 рисунка и 4-х страниц приложений.
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность всем, кто оказал помощь при выполнении и обобщении результатов работы.
Классификация способов и средств борьбы с пылью и статическим электричеством, применяющихся в промышленности
Пневматическое транспортирование и заряжание гранулированными ВВ, кроме перечисленных достоинств, имеют и существенные недостатки, сдержи 25 вающие повсеместное внедрение ГВВ, а именно: интенсивное пылеобразова-ние и, как следствие этого, повышенную запыленность призабойного пространства компонентами взрывчатого вещества, а также возникновение и накопление статического электричества в потоке ВВ и на зарядных шлангах. Наличие этих недостатков заставляет искать способы и средства совершенствования пневматического транспортирования гранулированных ВВ во взрывные полости. Рассмотрим существующие способы борьбы с пылью и электризацией [6-105], применяющиеся в настоящее время в горной промышленности при пневмозаряжании взрывных полостей гранулированными ВВ. Для облегчения изучения и анализа, а также объективной оценки способов и средств борьбы с пылью и электризацией автором составлены классификации этих средств и способов [11] (рис. 1.2 и 1.3).
Необходимость разработки указанных выше классификаций обусловлена в основном теми же причинами, что и необходимость разработки классификации конструкций заряжающих механизмов, так как известные классификации способов и средств борьбы с пылью [45-47] и вредными проявлениями статического электричества [48] не охватывают все известные способы и средства, а классификационные признаки четко не разграничивают различные способы и средства между собой.
Предложенные классификации с введенными в них новыми классификационными признаками охватывают практически все рассматриваемые способы и средства, однозначно включая в себя каждый способ и конструкцию.
Все способы борьбы с пылью, применяющиеся в горной промышленности [11], можно подразделить по классам на способы, направленные на пылеулавливание уже образовавшейся пыли, на предупреждение пылевыделения, когда предупреждается выделение образующейся пыли в атмосферу, и на предупреждение пылеобразования, когда технологическим процессом предупреждается сама возможность образования пыли. Каждый из них можно под 26 разделить на первичные и вторичные, а эти в свою очередь - на сухие и мокрые.
Классификация способов и средств борьбы с пылью при пневмо заряжании гранулированных ВВ. Примечание: штриховые прямоугольники могут быть заполнены при появлении соответствующего способа и средства.
Первичное пылеулавливание, предупреждение пылевыделения или пы-леобразования - когда пыль улавливается, предупреждается ее выделение или образование у мест ее возможного появления при первичном соприкосновении с воздухом.
Вторичное пылеулавливание, предупреждение пылевыделения или пы-леобразования - когда пыль улавливается, предупреждается ее выделение или образование в силу различных причин, которая не была локализована при первичном пылеулавливании, предупреждении пылевыделения или пылеоб-разования.
При сухих, описанных выше способах, пыль локализуется с помощью аппаратов без мокрой обработки пылевых частиц, а при мокрых - с помощью аппаратов, в которых частицы пыли обрабатываются различными жидкостями.
Из всего многообразия способов и средств борьбы с пылью в горной промышленности [11] при пневмозаряжании шпуров, скважин и камер гранулированными ВВ применяются (см. рис. 1.2):
1) сухое первичное пылеулавливание, которое обеспечивается циклонами [49-58], фильтрами [49-64] и разнообразными пылеприемниками [33, 65-68];
2) мокрое первичное пылеулавливание, обеспечиваемое циклонами [49-58], фильтрами [49-64] и гидропылеосадителями [69] при подключении к источнику первичного пылевыделения;
3) сухое вторичное пылеулавливание, при котором применяются фильт-рперемычки [49-51, 62, 63, 70] и средства индивидуальной защиты - респираторы [49-51, 63, 64];
4) мокрое вторичное пылеулавливание, когда используются водяные завесы [49-51, 63, 64, 70, 71] и гидропылеосадители [53, 71];
5) сухое первичное предупреждение пылевыделения, обеспечиваемое обеспыливающим проветриванием [49-51, 64, 69, 70, 72-75] и специальными насадками на зарядный шланг [19, 76-78];
6) мокрое первичное предупреждение пылевыделения, которое обеспечивается воздушно-водяным пылеподавлением [49-53,60-62,70,72,74,77-81] и увлажнением ВВ либо перед засыпкой его в бункер зарядчика, либо в процессе заряжания в шпуры или скважины [19, 20, 29-32, 37, 38, 44, 78];
7) сухое вторичное предупреждение пылевыделения, при котором проводится сухая уборка выработок [64];
8) мокрое вторичное предупреждение пылевыделения, обеспечиваемое мокрой уборкой выработок пыли водой и различными штрекомоечными машинами [49-51, 63, 64], орошением стен выработок, а также увлажнением поступающего в шахту воздуха [49-51, 59, 62-64, 70, 72, 74, 81-84] с примене 28 ниєм воздушно-механической пены, заполняя ею часть объема выработок [49, 50, 85-88];
9) сухое первичное предупреждение пылеобразования, заключающееся в изменении паспорта БВР, который бы, например, обеспечивал изменение объемов и условий заряжания [89] или замену ВВ;
10) сухое вторичное предупреждение пылеобразования, обеспечиваемое уменьшением скорости пневмотранспорта и увеличением насыщенности потока [90], заменой порошкообразных материалов на гранулированные [7, 8, 10] и применением капсюльного пневмотранспорта [9,91];
Обоснование необходимости и целесообразности наличия запорной арматуры пневмозарядчика
Загрузочный узел любого, в том числе и камерного, зарядчика - весьма важная деталь. От него зависит удобство обслуживания, скорость наполнения камеры взрывчатым веществом, а значит и производительность работ по заряжанию шпуров и скважин, особенно в тех случаях, когда требуется периодическое пополнение камеры новой порцией взрывчатого вещества в процессе заряжания, а также экологическое состояние атмосферы у зарядчика и безопасность работ.
С точки зрения герметичности узла, а также пропускной способности гранулированного взрывчатого вещества загрузочные устройства известных зарядчиков выполнены на достаточно высоком уровне. Это различные самозапирающиеся (например, зарядчики Вахш-5, ПЗЖ конструкции ИГД им. А.А. Скочинского или ПЗЛ конструкции Лениногорского полиметаллического комбината) и принудительно запирающиеся (например, зарядчики АПЗМ конструкции СКГМИ, типа ЗП и ЗДУ конструкции Казахского политехнического института или ЗМК-1 конструкции НИПИгормаша) конусы или полусферы, вставленные внутрь камеры [1, 2, 148].
Однако с точки зрения эргономики, то есть удобства, только одна конструкция зарядчика имеет удобно (низко) расположенный аккумулирующий бункер, из которого взрывчатое вещество подается к загрузочному узлу камеры принудительно шнековым питателем (зарядчик АПЗМ конструкции СКГМИ). Зарядчики Ульба-150 и Ульба-400 конструкции ВНИИцветмета снабжены эжектором вакуумной загрузки, обеспечивающим засасывание гранулированного взрывчатого вещества либо из мешка, либо из соответствующей емкости с предварительно растаренным взрывчатым веществом. Только зарядчики типа ЗП снабжены достаточно емким аккумулирующим бункером, позволяющим высыпать в него сразу содержимое всего мешка и не держать его на весу, пока мешок не опорожнится внутрь камеры как у остальных зарядчиков, загрузочный узел которых снабжен только воронкой, предохраняющей от просыпи. Стремление разработчиков ограничиться воронкой вместо бункера продиктовано необходимостью снижения как габаритов зарядчика, так и его массы, которые из-за емкости камеры и применяемых материалов оказались немалыми. При небольших объемах заряжания (до 10-15 мешков, то есть 400 - 500 кг, в смену эта позиция в общем не очень критична, но при больших - вызывает нарекание со стороны рабочих) [1,2,148].
Зарядчики ЗС-1 конструкции ЦНИИподземмаша и дополнительный бункер самоходной зарядно-доставочной машины Ульба-1 С конструкции ВНИИ-цветмета снабжены люками, прикручиваемыми к камере откидными болтами. Учитывая емкость камеры этих зарядчиков (400 кг взрывчатого вещества), при заряжании небольшого объема такая конструкция загрузочного устройства может и не вызвать неудобств в работе [1, 2, 148].
Однако опыт конструирования камерных пневмозарядчиков, предназначенных для заряжания плохосыпучих пластичных взрывчатых веществ, отсутствует, из-за чего для разработки загрузочного узла такого зарядчика автор исходил из соображений уже выбранной вместимости камеры, а также физико-механических свойств самого взрывчатого вещества. Поэтому остановились на варианте с откидными болтами и съемной крышкой. Это позволяет, открыв крышку зарядчика, опорожнить сразу весь мешок от взрывчатого вещества, предварительно развязанного и разрезанного вдоль. Иначе мешок от взрывчатого вещества не освобождается (не высыпается и не вытекает), особенно если оно пролежало в мешке более полугода. Это относится к взрывчатым веществам типа алтаген, акванит 3 и акванал 16.
При применении гранулированных взрывчатых веществ, нами предложена конструкция приемной части загрузочного устройства [104], состоящего из воронки и закрепленных внутри нее ножей, установленных по граням, например, трехгранной или четырехгранной пирамиды, выступающей из воронки. Таким образом, поместив мешок с взрывчатым веществом в воронку, он сразу же разрезается ножами. Воронка и ножи удерживают мешок на зарядчике, и сам мешок становится дополнительным бункером загрузочного устройства. Поэтому мешок в этом случае не требует предварительного развязывания или разрезания. После того как мешок освободится от взрывчатого вещества его удаляют и вместо него ставят следующий.
Такая компактная конструкция приемной части загрузочного устройства вполне может быть применима в унифицированном зарядчике совместно с открывающейся на откидных болтах крышкой, которая в случае заряжания гранулированных взрывчатых веществ будет постоянно закрытой.
Обоснование необходимости и целесообразности наличия запорной арматуры пневмозарядчика
С учетом приведенных выше рассуждений о выборе формы и размеров (вместимости) камеры зарядчика второй пункт технических требований следует дополнить еще двумя требованиями: 2 а) камера зарядчика должна быть снабжена аэратором, который должен отвечать техническим требованиям к аэраторам; 2 б) на выходе из зарядчика должен быть установлен запорный кран.
Оба эти дополнительные требования увеличивают устойчивость работы зарядчика и эффективность его применения.
Если целесообразность первого дополнительного требования доказана предыдущими рассуждениями, то целесообразность второго будет очевидна, если более подробно рассмотрим влияние наличия или отсутствия запорного устройства (крана) на выходе из камеры пневмозарядчика (подразделяющие камерные пневмозарядчики на соответствующие группы в приведенной выше классификации, часть которой приведена на рис. 2.1) на характеристики пневмотранспортного потока, так как от этого зависит величина запасенной потенциальной энергии сжатого воздуха в камере зарядчика перед началом процесса пневмотранспортирования взрывчатого вещества по зарядному шлангу внутрь заряжаемой полости (шпур или скважину) [3,149]. Так, давление сжатого воздуха в камере зарядчика, у которого нет запорного устройства на выходе из камеры, после открытия запорного крана на входе в камеру повышается от атмосферного до величины, равной сопротивлению камеры зарядчика и зарядного шланга с заряжаемой полостью. Движение смеси взрывчатого вещества с воздухом начнется, когда давление (запас потенциальной энергии) сжатого воздуха в камере поднимется до величины, достаточной для начала движения частиц взрывчатого вещества по камере и зарядному шлангу, которая не меньше сопротивления движению чистого сжатого воздуха по камере зарядчика и зарядному шлангу.
Аэраторы камерных пневмозарядчиков и технические требования к ним
Стесненные условия подземных выработок предъявляют особые требования к размерам и массе используемых механизмов, в том числе и заряжающих. А недостаток времени, ограниченный, как правило, межсменным перерывом, отводимым для заряжания шпуров и скважин и требующим мобильности монтажа и размонтирования установки для заряжания шпуров и скважин, напротив, предъявляет к этим параметрам повышенные требования. Это означает, что коническое днище цилиндроконической камеры не может иметь требуемый угол наклона стенок, который должен быть меньше угла естественного откоса взрывчатого вещества. С другой стороны, взрывчатое вещество должно подаваться внутрь зарядного шланга и далее внутрь заряжаемого шпура или скважины равномерно, а внутри зарядчика не должно оставаться взрывчатое вещество.
Одним из основных способов, обеспечивающих достижение указанных выше условий, является применение аэраторов внутри камеры зарядчика.
Схема работы всех аэрирующих устройств одинакова и заключается в том, что сжатый воздух, выходя из отверстий аэратора и обладая определенной кинетической энергией, воздействует на массу взрывчатого вещества в камере зарядчика и псевдоожижает его, то есть приводит во взвешенное состояние.
Параметрами аэрирующих устройств являются диаметр и количество аэрирующих отверстий, а также расположение их в пространстве камеры зарядчика, оптимальные размеры которых влияют на степень выполнения возложенных на них функций. При этом, чем выше скорость элементарных струй сжатого воздуха, получаемая ими при выходе из отверстий аэратора, тем выше аэрирующая способность аэратора.
Анализ конструкций пневмозарядчиков и входящих в них элементов, включая конструкции аэраторов, а также собственный опыт конструирования и испытаний различных конструкции пневмозаряжающих механизмов позволяет сформулировать основное назначение аэрирующих устройств: аэратор камерных пневмозарядчиков должен обеспечивать равномерную подачу взрывчатого вещества внутрь зарядного шланга и далее во взрывную полость и полную без остатка выгрузку взрывчатого вещества из камеры и, если используется камера цилиндроконической формы, без зависаний на конической поверхности днища камеры.
Это назначение аэратор может выполнить, если будет отвечать следующим техническим требованиям [8]: 1. Отверстия в аэраторе не должны забиваться аэрируемым материалом. При этом струя воздуха, выходящая из отверстия аэратора, должна обладать максимально возможной энергией, распределенной между всеми отверстиями. 2. Каждое отверстие аэратора, выполненного в виде ложного днища, должно обдувать равную площадь поверхности днища камеры. 3. Каждое отверстие трубчатого аэратора должно обдувать равный объем камеры зарядчика.
Первое требование возможно при выполнении условия неравенства, при котором площадь сечения входного отверстия камеры должна быть больше или равно сумме площадей сечений отверстий в аэраторе и площади сечения выходного отверстия камеры. Это обеспечит последовательный подпор воздуха в каждом из указанных сечений камеры.
Это положение подтверждается экспериментальными данными [8]. Нами при исследовании и разработке аэратора камерного зарядчика [179] был изготовлен опытно-промышленный образец камерного пневмозарядчика с аэратором-рубашкой, имеющей 10000 отверстий диаметром 2 мм по всей поверхности аэратора. Диаметр камеры зарядчика составлял 400 мм, высота -1000 мм, угол при вершине конического днища равнялся 60 градусов. Аэратор повторял форму камеры, вставлен в нее с зазором 15 мм и был ниже обечайки камеры на 20 мм. Верхний и нижний срезы аэратора герметизированы. В камеру зарядчика воздух поступал по воздухоподводящему шлангу с внутренним диаметром 32 мм. Из камеры зарядчика смесь взрывчатого вещества с воздухом отводилась по резиновому зарядному шлангу с внутренним диаметром 32 мм.
Графическое представление адиабатного течения сжатого воздуха по системе при продувке скважин
В работах [194, 196] нами заложены теоретические основы для исследования работы камерных пневмозарядчиков в режиме продувки взрывной; полости сжатым воздухом, дальнейшее решение которых требует подстановок конкретных параметров исследуемой системы: шахтная пневмомагист-раль - воздухоподводящии шланг - камерный пневмозарядчик - зарядный шланг - взрывная полость при движении по ней «чистого» сжатого воздуха в установившемся режиме.
Настоящие исследования первоначально планировалось провести с помощью компьютерной программы MathCAD, поэтому обозначения и вся идеология хода рассуждений подчинены внутренним требованиям этой программы [197].
Согласно [114, 196, 201, 202] можно определить параметры потока воздуха, двигаясь от атмосферы перед скважиной по скважине, зарядному шлангу к зарядчику и далее к общешахтной магистрали. При этом задаваясь раз личным расходом воздуха в системе, можно определить давление сжатого воздуха в общешахтной магистрали.
Выполним несколько промежуточных вычислений, присвоив цифровые индексы параметрам потока воздуха, соответствующие номерам сечений, а буквенные - параметрам, имеющим место внутри элементов системы (при этом воспользуемся схемой исследуемой системы (см. рис.3.1)), а также приняв еще несколько допущений.
Так, площади поперечного сечения отверстия в сечении 1-І примем равными площади проходного сечения воздухоподводящего шланга и проходным сечениям примененных вентилей (в действительности, из-за того, что к вентилю на общешахтной магистрали подключаются последовательно все потребители отрабатываемого горизонта - буровые станки, перфораторы, погрузочные машины, пневмозарядчики, проходное сечение отверстия в сечении 1-І и вентиля на общешахтной магистрали может быть больше требуемого для пневмозарядчика).
Таким образом: /w w = xdww /4 - площадь поперечного сечения отверстия в сечении 1-І, воздухоподводящем шланге и вентилях; Jhh = 0,785d/?h2 - площадь поперечного сечения отверстия в сечении НІНІ и проходного сечения зарядного шланга; fss = 0,785 &5 - площадь поперечного сечения заряжаемых шпуров или скважин; Afs5 = 0,185(dss - dnn ) - площадь проходного сечения шпуров или скважин с зарядным шлангом внутри.
При этом в последнем случае определена разность площадей между шпуром диаметром 42 мм и зарядным шлангом с внутренним диаметром 19 мм и наружным диаметром 25 мм, и далее еще восемь таких же кольцевых площадей между следующими парами: 45 - 25; 56 - 32; 65 - 32; 65 - 40; 76 -40; 76 - 40; 105 - 50; 120 - 50; 150 - 50.
Далее задаемся значениями расхода в системе G = 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1 и 0,12 кг/с, что соответствует G = 1, 2, 3, 4, 5 и 6 м /с, предоставляя системе MathCAD последовательно подставлять приведенные значения. Для чего зададимся значением подстрочного индекса в пределах w = 1, 2,.., 6.
Затем воспользуемся возможностями MathCAD и составим математическую модель рассматриваемой системы путем определения таких параметров как динамическое и статическое давление в последовательно следующих друг за другом элементах. При этом будем иметь в виду известные из аэрогидродинамики положения: полное давление в потоке равно сумме динамического и статического давлений, на преодоление сил трения затрачивается статическое давление, а динамическое давление - на сообщение потоку скорости движения; разность динамических давлений в разных сечениях трубопровода является статическим давлением, которое израсходовано на этом участке трубопровода. Кроме этого, в рассматриваемой системе движение потока воздуха протекает с изменяющейся плотностью сжатого воздуха (от 8,17 м /кг при давлении 0,7 МПа до плотности воздуха при атмосферном давлении, равной 1,207 м3/кг), расширяющегося при движении по рассматриваемой системы от общешахтной магистрали в атмосферу у устья продуваемых шпуров или скважин. Поэтому для определения давления сжатого воздуха на следующем участке трубопровода воспользуемся соответствующими формулами, учитывающими такое явление [114]. При расчетах будем оперировать абсолютным давлением сжатого воздуха [203, 204].
Задаваясь расходом и размерами элементов системы (из указанных ранее) можем определить динамическое давление на выходе из скважины (сечение V - V): где #,=0,0826. Результаты расчета по данной формуле следующие: а) p5d = 3,7; 14,8; 33,3; 59,2; 92,5 и 133,2 Па; б) p5d = 62,7; 116,6; 187,1; 274,2; 377,8 и 498,1 Па. (Здесь и далее по тексту вторая строка - результаты расчета по указанной формуле при значениях расхода 0,011, 0,015, 0,019, 0,023, 0,027 и 0,031 кг/с. Значения расхода, заданные ранее, более применимы при заряжании скважин, а вторично заданные - при заряжании шпуров, поэтому А/7 заменено на А/і).
