Лукьянов В.Г. Горные машины и проведение горно-разведочных выработок

Подождите немного. Документ загружается.

• по числу ступеней сжатия – на одноступенчатые и многоступенчатые;

• по способу установки – на передвижные, стационарные;

• по подаче – на компрессоры малой (до 10 м

/мин), средней (10–

30 м

/мин) и большой (свыше 30 м

/мин) подачи;

• по расположению цилиндров – на горизонтальные, вертикальные и

наклонные;

• по способу охлаждения – на компрессоры с воздушным и водяным

охлаждением.

На горно-разведочных работах в основном применяются компрессо-

ры простого действия, двухступенчатые, с водяным и воздушным охлаж-

дением, малой и средней подачи, с любым расположением цилиндров

Преимущества поршневых компрессоров: надежность в работе, вы-

сокий КПД, длительный срок службы, возможность получения высоко-

го давления. Недостатки: значительные размеры и масса, ограниченная

подача, наличие воздухораспределительных клапанов, пульсирующая

подача воздуха в сеть.

Техническая характеристика передвижных и стационарных ком-

прессоров приведена в табл. 16.

По роду привода передвижные компрессорные установки снабже

ны двигателями внутреннего сгорания и электрическими.

На передвижных компрессорных установках используются ком-

прессоры малой (до 3 м

/мин) и средней (до 10 м

/мин) подачи низкого

(до 1 МПа) давления.

Компрессорные установки располагаются на поверхности. Число

их определяется количеством воздуха, необходимого для нормальной

работы потребителей. Кроме того, обязательно создается определенный

резерв (до 50 % подачи станции).

На каждой компрессорной установке между компрессором и сетью

устанавливается воздухосборник, назначение которого сводится к сгла-

живанию пульсации нагнетаемого воздуха

и равномерному питанию им

пневматических машин; к улавливанию влаги и масла, находящихся в

сжатом воздухе.

Воздухосборники изготовляются из листовой стали, снабжаются

предохранительным клапаном и краном для спуска масла и воды.

Объем воздухосборника

к.с

1, 6VV=

где V

к. с

– подача компрессора или компрессорной станции, м

/мин.

§ 3. ВОЗДУХОПРОВОДНЫЕ СЕТИ

Вырабатываемый компрессором сжатый воздух подается потреби-

телям по воздухопроводной сети (трубопроводам от 20 до 320 мм) и

воздухопроводным рукавам (шлангам) диаметром 10…50 мм.

Трубы диаметром до 50 мм соединяются резьбовыми муфтами. При

большем диаметре соединение производится фланцами с болтовым со-

единением. Прокладки в местах соединения труб выполняются из рези-

ны, клингерита, асбеста и картона.

Воздух при движении по трубам и шлангам встречает гидравличе-

ское сопротивление, которое вызывает падение давления воздуха в воз-

духопроводе, и тем больше, чем меньше диаметр воздухопроводов.

Общие допустимые потери давления воздуха в воздухопроводе не

должны превышать 10–15 %.

Диаметр труб воздухопровода должен выбираться в соответствии с

количеством пропускаемого воздуха на данном

участке сети с мини-

мальными потерями давления в сети.

Диаметр трубопровода можно определить по упрощенной формуле:

3,18dV=

где V – количество воздуха, протекающего по трубопроводу, м

/мин.

Трубопровод на горизонтальных участках следует прокладывать с

уклоном не менее 1 : 200 – 1 : 300 в сторону движения воздуха с целью

поступления конденсирующейся воды и масла в водоотделитель.

Прокладка жестких воздухопроводов в горизонтальных и наклон-

ных выработках осуществляется на кронштейнах, на подвесках-

хомутах, по почве у стенки выработки, противоположной людскому

проходу.

В вертикальных

выработках (ствол шахт, шурфы) трубы прикреп-

ляются при помощи хомутов к деревянной крепи или расстрелам. Тру-

бопроводы также могут подвешиваться на канатах.

Контрольные вопросы

1. Турбокомпрессоры, конструкция, параметры.

2. Ротационные и винтовые компрессоры.

3. Поршневые компрессоры: классификация, конструкции, основные

параметры.

4. Шахтные воздухопроводные сети: конструкции, определение диа-

метра трубопровода.

ГЛАВА 8. ВЗРЫВНОЙ СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД

§ 1. ПОНЯТИЕ О ВЗРЫВЕ

Взрыв – чрезвычайно быстрое изменение состояния вещества, со-

провождающееся таким же быстрым превращением его потенциальной

энергии в механическую работу. Работа взрыва основана на стремлении

образовавшихся при нем газов к расширению.

Взрывы могут быть физического или химического характера. При

физическом взрыве изменяется только физическое состояние вещества

(взрывы паровых котлов, баллонов сжатого

или сжиженного газа и др.).

При химическом взрыве происходит быстрое химическое превращение

вещества, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в

виде теплоты и образуются газообразные продукты.

В практике горного дела главным образом используются химиче-

ские взрывы.

§ 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЗРЫВА

Согласно гидродинамической теории передача детонации обуслов-

лена распространением по ВВ ударной волны. Если амплитуда измене-

ния давления на фронте этой волны больше некоторой величины, то

волна при распространении способна за своим фронтом возбуждать ин-

тенсивную химическую реакцию, за счет энергии которой постоянно

поддерживаются параметры волны и стационарный характер детонаци-

онного процесса

в целом.

Ударная волна (зона сжатия) и прилегающая к ней зона реакции

взрывчатого превращения обобщаются под названием детонационной

волны (волна детонации). Движение ударной волны складывается из

движения скачка уплотнения и перемещения самой среды. Детонацион-

ная волна имеет более сложную структуру. Распространение ее обу-

словливается движением ударной волны, зоны химической реакции

конечных продуктов взрыва.

Скачкообразность процесса распространения детонации является

резким отличительным признаком явления.

При детонации ВВ получаются продукты взрыва плотностью 2 г/см

с давлением в тысячи мегапаскалей. Таким образом, имеет место совер-

шенно новое, своеобразное состояние вещества.

При детонации ВВ зона химического превращения, отделяющая

невозмущенное ВВ от продуктов взрыва, в которых химическая реакция

уже полностью закончилась, оказывается весьма тонкой. Масса вещест-

ва, находящегося в каждый данный момент в состоянии химической ре-

акции, составляет ничтожную часть от общей массы заряда.

Способность ВВ к детонации зависит от условий его применения.

Если размеры заряда менее определенной критической величины, то де-

тонация затухает.

Продукты взрыва одного заряда

в воздухе могут вызывать взрыв

другого заряда, если он не очень удален от первого. В таком случае пер-

вый заряд называется активным, второй – пассивным. Явление возбуж-

дения взрыва в пассивном заряде в случае взрыва активного, отделенно-

го от пассивного инертной средой, называется детонацией на расстоя-

нии или детонацией через влияние.

Дальность передачи детонации зависит от ряда факторов, основными из

которых являются: масса и свойства активного заряда, свойства пассивного

заряда, свойства среды, разделяющей заряды, характер оболочек, в которые

помещены заряды, а также направление детонации в активном заряде.

Из свойств активного заряда определяющими являются скорость

детонации и плотность.

С увеличением плотности

активного заряда растет и дальность пе-

редачи детонации. Чем выше чувствительность ВВ, тем больше даль-

ность передачи детонации. Так как чувствительность ВВ с увеличением

плотности заряда уменьшается, то, чем больше плотность пассивного

заряда, тем меньше расстояние передачи детонации.

§ 3. ТЕПЛОТА И ТЕМПЕРАТУРА ВЗРЫВА

Под теплотой взрывчатого превращения (или взрыва) понимают

теплоту, которая выделяется при взрыве 1 кг ВВ.

Теплота взрыва зависит от типа ВВ и состава продуктов его разло-

жения. Она определяется как разность известных из справочников теп-

лоты образования продуктов взрыва Q

ПВ

и теплоты образования ВВ Q

т. е. Q

взр

= Q

ПВ

– Q

Теплота взрыва большинства ВВ находится в пределах

3200…6600 кДж/кг, или 2900…10 000 кДж/л. Сравнивая с теплотой

сгорания 1 кг, например, угля или бензина (соответственно 33 600 и

42 000 кДж), видно, что при взрыве энергии выделяется в 5–12 раз

меньше. Однако если рассчитать теплоту горения 1 кг смеси топлива с

кислородом, то разница становится менее ощутимой – 1,5–3 раза

. По-

этому очевидно, что огромное разрушающее действие взрыва обуслов-

лено только громадной его мощностью, которая, например, при взрыве

всего 200 г аммонита 6ЖВ превышает 1,1 ГВт (1,5 млн л. с.) за счет ско-

рости реализации энергии.

Температура взрыва характеризуется максимальной температурой,

до которой нагреваются продукты взрыва. При этом процесс взрыва

принимается адиабатическим.

Температура газов взрыва t = Q

взр

/ с, где с

– средняя теплоемкость

всех продуктов взрыва при постоянном объеме в интервале температур

от 0 до t, кДж.

Значение теплоемкости в зависимости от температуры может быть

определено по формуле с

= а + bt, где а и b – коэффициенты, найден-

ные опытным путем.

Подставив значение с

в формулу и преобразовав уравнение, получим:

aa bQ

−+ +

Теплоемкость некоторых газов, Дж/(моль ·°С), в зависимости от

температуры, можно определить по формулам:

двухатомных 4,8 + 4,3·10

–4

трехатомных 7,2 + 4,5·10

–4

четырехатомных 10 + 4,5·10

–4

углекислых 9 + 5,8·10

–4

паров воды 4 + 21,5·10

–4

При определении теплоемкости смеси газов по приведенным фор-

мулам производится почленное сложение их теплоемкости для нахож-

дения суммарных величин.

Температура Т

взр

характеризует температуру, при которой образуются

газы и начинается работа взрыва. У обычных ВВ она равна 900…4500 К,

у предназначенных для взрывания в шахтах, опасных по газу или пыли, –

менее 2500 К.

Среднее давление взрыва, т. е. давление продуктов реакции в объе-

ме ВВ при мгновенном его превращении

взр

(1)

427

9,8

−

=⋅

−

где V – удельный объем ВВ, см

/кг; а – несжимаемая часть газов (ково-

люм), см

/кг; k – показатель изотопы расширения газов; 427/9,8 – чис-

ленный коэффициент перевода тепловых единиц в механические.

Величину а при не очень высоких давлениях принимают равной

0,001 объема газов при атмосферном давлении и температуре 0 °С.

Давление Р

взр

, развивающееся при взрывах различных ВВ, может

достигать от 0,3…0,5 до 15…20 ГПа и выше, что возможно благодаря

огромным скоростям протекания самоускоряющихся реакций.

§ 4. ОБЪЕМ ГАЗОВ ПРИ ВЗРЫВЕ

Объем газов при взрыве определяется по реакции взрывчатого раз-

ложения ВВ на основе закона Авогадро, согласно которому объем, за-

нимаемый одной грамм-молекулой различных газов при 0 °С и давле-

нии 0,1 МПа, равен 22,42 л (0,02242 м

Объем газов, образуемых при взрыве 1 кг ВВ, имеет вид:

123

11 2 2 33

22,42( ... )1000

...

nnn n

mM mM mM m M

+++

++++

где n

, п

...п

– число грамм-молекул газообразных продуктов взры-

ва; m

, m

…т

– число грамм-молекул составных частей ВВ; М

, М

...М

– молекулярная масса составных частей ВВ.

Объем газов, образуемых какой-либо смесью компонентов (хими-

ческих соединений или элементов), определяется как сумма объемов га-

зов, образуемых отдельными компонентами смеси.

Пример. Определить объем газообразных продуктов при взрыве

1 кг тротила, разложение которого протекает по уравнению

(NO

)

+ 10,5NH

NO = 7СO

+ 23,5Н

O + 12N

Объем газов при парообразном состоянии воды

22,42(7 23,5 12)100

896 л/кг 0,896 м / кг

1 227 10,5 80

===

⋅+ ⋅

Для опытного определения объема продуктов взрыва производят

взрывание некоторого количества ВВ (обычно 100 г) в калориметриче-

ской бомбе. Объем охлажденных до комнатной температуры газообраз-

ных продуктов измеряется с помощью газомера.

§ 5. ДАВЛЕНИЕ ГАЗА ПРИ ВЗРЫВЕ

Давление газа при взрыве 1 кг ВВ может быть определено исходя

из объединенных законов Бойля–Мариотта и Гей-Люссака:

273

PV T

где Р

– давление газов при температуре 0 °С и давлении 0,1 МПа; V

– объ-

ем газов при взрыве 1 кг ВВ при 0 °С и давлении 0,1 МПа, м

; Т – темпера-

тура взрыва, К; V – объем зарядной камеры, м

Эта общая формула действительна лишь для идеальных газов. При

фактических плотностях заряжания ВВ (500…1000 кг/м

) заметную

роль начинает играть собственный объем молекул (коволюм) продуктов

взрыва, который для практических расчетов принимается равным (при

взрыве 1 кг ВВ) α = 0,001V

. Кроме того, заменив в формуле объем V на

плотность ВВ, окончательно получим:

00 00

273(1/ ) 273(1 )

PV T PV T

−−Δ

Определим давление газов при взрыве 1 кг, например, динафталита,

учитывая, что при этом образуется 0,92 м

газов и что температура

взрыва равна 3000 К.

Давление газов при плотности ВВ ∆ = 800 кг/м

10470 0,92 3000 800

3, 2 10

273(1 0,920 0,001 800)

⋅⋅ ⋅

==⋅

−⋅⋅

Па,

а при ∆ = 1000 кг/м

10470 0,920 3000 1000

1,32 10

273(1 0,92 0,001 1000)

⋅⋅⋅

==⋅

−⋅ ⋅

Па.

Таким образом, увеличение плотности заряда на 25 % повышает

давление газов при взрыве более чем в 4 раза. Эти расчеты дают доста-

точное представление о качественном влиянии отдельных факторов, в

особенности плотности заряда (заряжания), на эффект взрыва.

Опытное определение давления газов взрыва обычно производится

в специальной манометрической бомбе, в которой подрываются

заряды

массой до 100 г.

Контрольные вопросы

1. Что такое взрыв?

2. Что такое детонация?

3. Температура взрыва у ВВ, предназначенных для взрывания в шах-

тах, опасных по газу или пыли.

4. Методы определения объёма газа при взрыве.

ГЛАВА 9. ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Взрывчатыми веществами (ВВ) называются такие химические

системы, которые под влиянием определенного внешнего импульса

способны со значительной скоростью переходить в другие системы с

образованием газов или паров, выделением тепла, которое нагревает га-

зы до высокой температуры.

Все ВВ, применяемые для взрывных работ, по характеру состава

разделяются на механические смеси и химические

соединения.

Если во взрывчатых механических смесях составные части ВВ хи-

мически не связаны между собой, то во взрывчатых химических соеди-

нениях – связаны.

По физическому состоянию взрывчатые вещества разделяются на

следующие:

• газовые смеси (метан + воздух и пр.);

• смеси твердых или жидких веществ с газами (угольная пыль + ки-

слород и пр.);

• жидкие вещества (нитроглицерин, нитрогликоль);

• смеси жидких и твердых тел (динамит);

• твердые смеси (тротил, аммониты).

Практическое значение имеют две последние группы.

По условиям применения ВВ разделяются на предохранительные и

непредохранительные.

Предохранительные ВВ, в свою очередь, могут быть:

• допущенными для взрывания по

углю и породе (цвет оболочки или

полосы желтый);

• допущенными для взрывания только по породе и руде (цвет обо-

лочки или полосы синий);

• допущенными для взрывания в серных, нефтяных и озокеритовых

шахтах (цвет оболочки или полосы зеленый);

• термостойкими, допущенными для взрывания в нефтяных и газо-

вых скважинах (

цвет оболочки или полосы черный).

Непредохранительные ВВ могут быть:

• допущенными для взрывания в шахтах, не опасных по газу или пы-

ли (цвет оболочки или полосы красный);

• допущенными для открытых работ (цвет оболочки или полосы белый).

По химическому составу и названию основного компонента ВВ

разделяют:

1) на нитроглицериновые;

2) аммиачно-селитряные;

3) оксиликвиты;

4) хлоратные;

5) дымный порох.

По характеру воздействия на окружающую среду ВВ разделяют на

бризантные, которые иногда подразделяются на высокобризантные

(скорость детонации υ

дет

= 4500…7000 м/с, скальные аммониты) и бри-

зантные (υ

дет

= 3500…4500 м/с), низкобризантные (υ

дет

= 2000…3500

м/с), а также метательные (υ

дет

≤ 2000 м/с). ВВ представляют собой ма-

лоустойчивые химические системы, которые под воздействием внешне-

го импульса стремятся перейти в устойчивые.

Взрывчатое превращение ВВ основано на окислении горючих эле-

ментов. В качестве окислителя в состав ВВ вводится в какой-либо форме

кислород. В состав современных ВВ обычно вводится аммиачная селитра,

каждой молекуле которой содержится один избыточный атом кислорода.

§ 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Основными характеристиками взрывчатых веществ, определяющими

условия применения и развиваемую мощность, являются кислородный ба-

ланс, бризантность и работоспособность, чувствительность, стойкость,

плотность, скорость детонации, теплота и температура взрыва и др.

Кислородный баланс – это показатель, характеризующий избыточное,

достаточное или недостаточное количество кислорода в веществе по срав-

нению с количеством, необходимым для полного окисления

содержащих-

ся в нем углерода, водорода и других элементов, способных к окислению

при взрыве. Измеряется он в процентах (или граммах) избыточного (+)

или недостающего (–) кислорода по отношению к общей массе ВВ (или

1 г вещества). Он может быть положительным, отрицательным или нуле-

вым. Положительным считается такой кислородный баланс, при котором

наличие

кислорода в составе ВВ превышает количество, необходимое для

окисления горючих элементов, содержащихся в ВВ; отрицательным – ко-

гда наличие кислорода недостаточно для окисления всех горючих элемен-

тов, а нулевым – когда в составе ВВ кислород содержится в количестве,

необходимом для полного окисления всех горючих элементов.

Современные промышленные ВВ характеризуются кислородным

балансом, близким к нулевому. ВВ с нулевым кислородным балансом

образуют минимальное количество ядовитых газов и выделяют макси-

мальную энергию при взрыве.

100

Кислородный баланс можно определить по формуле

(2 / 2)

16 100

dab

−

=⋅⋅

где d – число атомов кислорода; а – число атомов углерода; b – число

атомов водорода; М – молекулярная масса ВВ; 16 – атомная масса ки-

слорода.

Кислородный баланс влияет на многие показатели ВВ.

Рис. 30. Испытания ВВ на работоспособность: а – бомба Трауцля; б, в – бомба

до и после взрыва; 1 – электродетонатор; 2 – заряд ВВ

Так, недостаток кислорода приводит к тому, что реакция взрывча-

того превращения идет не до конца и ВВ характеризуется меньшей

мощностью, образуется ядовитая окись углерода СО и выделяется чис-

тый водород, что создает взрывоопасную атмосферу. Избыток кислоро-

да приводит к тому, что в условиях высоких температур и давлений при

взрыве образуются весьма

ядовитые окислы азота.

Работоспособностью ВВ называется работа взрыва, характери-

зующаяся расширением канала свинцового цилиндра. Испытание ВВ на

работоспособность производится в лабораторных условиях при помощи

свинцовой бомбы (рис. 30), представляющей собой цилиндр диаметром

и высотой 200 мм, отлитый из рафинированного свинца. По оси цилин-

дра сделан канал глубиной 125 мм и диаметром 25 мм, в

который по-

мещают навеску ВВ. В практике фугасное действие рассматривается

условно как работоспособность ВВ, которая зависит от теплоты, обра-

зующейся при взрыве, количества выделяющихся газов и степени их

расширения.

Бризантная работа взрыва ВВ обусловливается кратковременным

давлением газов взрыва и действием ударной волны. Следствием такой

работы ВВ является дробление среды, окружающей

заряд. Бризантность

ВВ характеризуется величиной импульса, действующего при взрыве на

преграду в месте соприкосновения ее с зарядом ВВ.