Исследование влияния канального эффекта в шпуре на скорость и полноту детонации заряда ВВ

Исследование влияния канального эффекта в шпуре на скорость и полноту детонации заряда ВВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАНАЛЬНОГО ЭФФЕКТА В ШПУРЕ НА СКОРОСТЬ И ПОЛНОТУ ДЕТОНАЦИИ ЗАРЯДА ВВ

К.Н. Лабинский, С.А. Калякин

Донецкий национальный технический университет ул. Артема, 58, 83000, г. Донецк, Украина. E-mail: bootor@gmail.com

Приведены результаты исследования влияния канального эффекта на скорость детонации шпурового заряда ВВ в зависимости от скорости распространения ударной волны по радиальному зазору между стенкой шпура и боковой поверхностью патронов ВВ. Установлено оптимальное значение коэффициента заряжания шпура ВВ, обеспечивающее минимальное влияние опережающей детонационный фронт ударной волны на еще не успевшую сдетонировать часть шпурового заряда ВВ.

Ключевые слова: Скорость детонации, ударная волна, ионизационные датчики, коэффициент заряжания шпура, канальный эффект.

Введение

Развитие горных работ при подземной добыче полезных ископаемых неизбежно приводит к увеличению глубины ведения горных работ. Это сопровождается ухудшением горно-геологических условий производства работ, что, в частности, выражается увеличением в забоях выработок горного давления, крепости пород и повышением из них газовыделения. Высокая прочность горных пород и неравномерность их распределения по забою не позволяет использовать для разрушения пород проходческие комбайны. На сегодняшний день более 65% всех горных выработок на угольных шахтах проводится буровзрывным способом. Наличие газа метана в выработках шахт делает их взрывоопасными и вызывает необходимость применения предохранительных ВВ, безопасность которых достигается за счет снижения удельной энергии взрыва и скорости детонации ВВ. Поскольку подавляющее число шпуровых зарядов являются составными и состоят из отдельных патронов ВВ, необходимо уделить особое внимание вопросам исследования передачи детонации между патронами предохранительных ВВ в заряде. Решения этих вопросов направлены на обеспечение полноты детонации шпуровых зарядов и повышения эффективности взрывных работ.

Анализ литературных источников показал, что при наличии зазора между стенкой шпура и зарядом ВВ возможно снижение его детонационной способности и полноты детонации заряда за счет так называемого канального эффекта, впервые установленного в шахтных опытах, проведенных Т. Урбански в конце 20-х годов прошлого века. Канальный эффект изучался многими исследователями во всем мире. Были установлены сущность канального эффекта и механизм его влияния на полноту детонации шпурового заряда ВВ. В работах МакНИИ установлено, что проявление канального эффекта наблюдается в шпурах при зазоре от 0,1 до 3 диаметров заряда ВВ, расположенных в шпурах. Наиболее сильно канальный эффект проявляется при зазоре между стенкой шпура и зарядом, который составляет от 6 до 16 мм. Продукты детонации ВВ, расширяясь в зазоре подобно косому поршню, продуцируют опережающую детонационный фронт ВВ ударную волну, которая обгоняя детонационную волну воздействует на еще не сдетонировавшую часть заряда. При этом происходит уплотнение заряда ВВ впереди фронта детонации. Однако нельзя считать, что именно это уплотнение ВВ в заряде приводит к его неполной детонации. Ряд ученых считают, что затухание детонации происходит вследствие возникновения разряжения связанного с отрицательной фазой ударной волны, которая десенсибилизирует воздушные включения в заряде ВВ их сжатием, которые в зоне разрежения разбрасывают ВВ при расширении. Это приводит к снижению скорости детонации ВВ и в конце концов к ее затуханию. При этом полнота детонации зарядов ВВ в шпурах у многих ВВ различная и определяется в основном их детонационной способностью, то есть скоростью детонации. Поэтому исследование влияния канального эффекта на скорость детонации ВВ в заряде весьма актуально, так как позволит уточнить механизм канального эффекта и установить параметры, определяющие полноту детонации ВВ в шпурах.

Цель работы. Исследование влияния канального эффекта в шпуре на скорость и полноту детонации заряда с целью установления оптимальных параметров заряжания ВВ.

Материал и результаты исследований

Исследования скорости детонации заряда ВВ и скорости ударной волны в радиальном зазоре между стенками шпура и зарядом ВВ проводились на моделях шпуров, выполненных из различного материала. Их взрывание проводили в буровзрывной лаборатории кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонНТУ и на полигоне Донецкого казенного завода химических изделий по методике, разработанной под прибор измеритель интервалов времени ИИВ-16/496 УХЛ 4.2 (ТУ У 33.5-3169501990-001:2011). Схема проведения опытов в данных исследованиях изображена на рис.1.

Рис. 1. Схема исследования скорости детонации ВВ и скорости ударной волны в зазоре

В опытах заряд ВВ (11), состоящий из двух патронов ВВ с электродетонатором (10), размещался в макете шпура, который с двух торцов запирался глиняной забойкой (9). В заряде располагали ионизационные датчики 1 - 4 таким образом, что два датчика находились в патроне-боевике и два датчика находились в пассивном патроне. Такое расположение датчиков позволило измерить скорость детонации в активном патроне-боевике, на стыке между двумя патронами и в пассивном патроне. В радиальном зазоре располагали ионизационные датчики 5 - 8 таким образом, чтобы скорость ударной волны измерялась вдоль активного патрона, над стыком между патронами и вдоль пассивного патрона. Датчики 1 - 8 подключали к измерителю интервалов времени ИИВ-16/496, который измерял временные промежутки, за которые детонационная или ударная волна проходила базу измерения. Скорость детонации определялась по формуле:

,

где: Б - база измерения, м;

t₁, t₂ - время срабатывания первого и последнего датчика базы, с.

Фото заряда ВВ опытного образца Vкласса с размещенными датчиками представлено на рис. 2, а фото заряда, размещенного в макете шпура - на рис. 3.

Рис. 2. Заряд ВВ опытного образца Vкласса

Рис. 3. Заряд ВВ в макете шпура

Результаты измерений скорости детонации вдоль заряда ВВ, приведены в табл. 1.

В табл. 2 приведены результаты опытов по измерению скорости ударной волны распространяющейся в зазоре между стенкой модели шпура и зарядом ВВ.

Анализ результатов, полученных в данных исследованиях, позволил подтвердить факт, что на стыках между патронами наблюдается снижение скорости детонации по сравнению со средней скоростью детонации ВВ в заряде. Этот факт не нов и ранее был установлен авторами в работе [1].

Наибольший интерес вызывал анализ результатов по изменению скорости ударной волны, распространяющейся в зазоре относительно скорости детонации ВВ заряда, в зависимости от диаметра шпура и диаметра заряда. Взаимосвязь диаметра заряда и диаметра шпура можно выразить через коэффициент заряжания ВВ в шпуре - К_зар. (отношение квадратов диаметра заряда к диаметру шпура). Сводная информация по этим измерениям приведена в табл. 3.

Таблица 1. Результаты измерений скорости детонации ВВ

¹ - заряд состоял из трех патронов, приведены результаты измерения скорости детонации в боевике, на первом стыке и в первом пассивном патроне, а также средняя скорость детонации по всему заряду;

² - заряд состоял из пяти патронов, приведены результаты измерения скорости детонации в боевике, на первом стыке и в первом пассивном патроне, а также средняя скорость детонации по всему заряду.

Таблица 2. Результаты измерений скорости ударной волны в зазоре

Полученные в опытах результаты определения скорости детонации ВВ и ударной волны в зазоре обработаны методами корреляционного анализа, что позволило установить эмпирическую зависимость относительной скорости V₀ (отношение скорости ударной волны в зазоре к скорости детонации ВВ) от коэффициента заряжания шпура ВВ - К_зар в следующем виде:

Таблица 3. Результаты определения отношения скорости ударной волны в зазоре к скорости детонации ВВ в заряде

;    (1)

r²=0.948; S=0.018.

График зависимости относительной скорости от коэффициента заряжания шпура и результаты измерений приведены на рис. 4. Точка на графике, которая соответствует К_зар=1, получена в работе [2] как отношение начальной скорости ударной волны на торце заряда к скорости детонации аммонита №6ЖВ, снаряженного на полное сечение трубы ПВХ диаметром 34 мм, толщиной 1,6 мм.

Исследование функции (1) позволило определить ее минимум, который соответствует значению коэффициента заряжания шпура К_зар=0,56, при этом значении отношение равно V/D=1,05. Очевидно, что чем ближе значение скорости распространения ударной волны в зазоре к скорости детонации заряда ВВ, тем меньше будет время воздействия опережающей ударной волны на ту часть заряда ВВ которая еще не детонировала. Это позволит снизить до минимума влияние канального эффекта на детонацию ВВ в шпуровом заряде при наличии зазора между стенками шпура и боковой поверхностью патронов. Также очевидно, что материал оболочки макета шпура существенного влияния на проявление канального эффекта не оказывает. Это может быть объяснено тем, что разрушение материала оболочки происходит за время большее, чем время действия на заряд ВВ избыточного давления в опережающей ударной волны, движущейся в зазоре.

Таким образом, если обеспечить коэффициент заряжания шпура, близкий к оптимальному значению при канальном эффекте, то можно получить условие наиболее стабильной детонации ВВ и обеспечить полноту взрыва составного шпурового заряда ВВ.

В настоящее время при производстве буровзрывных работ в горизонтальных и наклонных горных выработках применяют, в основном, патроны промышленных ВВ диаметром 32 и 36 мм при диаметре буровых коронок 43 мм, а при проходке вертикальных стволов применяют патроны диаметром 36 и 45 мм при диаметре шпуров 43 мм и 52 мм соответственно. Значения коэффициентов заряжания шпуров для различных диаметров патронов с учетом износа буровых коронок приведены в числителе, а значения относительной скорости, определенные согласно функции (1) - в знаменателе. Результаты расчетов приведены в табл. 4.

Рис. 4. График зависимости отношения V/D от коэффициента заряжания шпура.

Таблица 4. Результаты расчета коэффициентов заряжания шпура (в числителе) и отношения V/D (в знаменателе) в зависимости от диаметров патронов ВВ и диаметров шпуров

Анализ полученных результатов, представленных в табл. 4, позволил сделать вывод, что при диаметре шпура 43 мм минимальное действие канального эффекта на заряд ВВ обеспечивается при диаметре патрона равном 32 мм, а при диаметре шпура 52 мм при диаметре патрона равном 36 мм.

Известно, что продукты детонации ВВ, расширяясь в зазоре подобно косому поршню, продуцируют опережающую детонационный фронт ВВ ударную волну, которая, обгоняя детонационную волну, воздействует на еще не сдетонировавшую часть заряда, уплотняя заряд ВВ впереди фронта детонации. При детонации заряда в зазоре шпура ударная волна создает высокое давление, которое может подпрессовывать ВВ до запредельной плотности, при которой развитие детонации ВВ невозможно. Рассмотрим, как изменяется давление во фронте ударной волны в зависимости от ее скорости и коэффициента заряжания шпура. Согласно работы [3], давление во фронте ударной волны можно определить по формуле через ее скорость и угол встречи со стенкой шпура:

,   (2)

гдеР_УВпр - давление во фронте прямой ударной волны, определяется по формуле [4]:

,

ρ - плотность воздуха, 1,22 кг/м³;

γ_в - показатель адиабаты с учетом ионизации воздуха [4], γ_в=1,2;

V - скорость распространения ударной волны в зазоре, м/с;

k_отр - коэффициент отражения косой ударной волны от стенки шпура, определяется по формуле [3]:

       (3)

φ - угол расширения продуктов детонации ВВ в зазоре.

Схема движения падающей ударной волны и отраженной от стенок шпура ударной волны в радиальном зазоре представлена на рис.5.

Рис. 5. Схема движения ударной волны в зазоре шпура при детонации шпурового заряда ВВ.

Угол расширения продуктов детонации ВВ в зазоре, как известно из работы [5], не зависит от параметров детонации ВВ, а определяется показателем адиабаты воздуха с учетом его ионизации в зазоре. Предположительно его величина составляет порядка 40..42⁰, что подтверждается исследованиями, проведенными в работе [6]. Фото разлета продуктов детонации при взрыве заряда ВВ в стеклянной трубе с радиальным зазором получено А.Н. Дреминым и Ван дер Бергом в выше приведенной работе и показано на рис. 6. Приведенный снимок процесса детонации ВВ при канальном эффекте позволяет установить угол встречи расширяющихся продуктов детонации ВВ со стенкой трубы. Отчетливо видно, что в результате встречи продуктов детонации со стенкой трубы образуются ударные волны как в оболочке трубы, так и в зазоре, причем в зазоре ударная волна движется гораздо быстрей, чем в оболочке.

Рис. 6. Детонация заряда ВВ в шпуре с радиальным зазором

- стенки шпура; 2 - радиальный зазор; 3 - переуплотненное ударной волной ВВ; 4 - фронт ударной волны; 5 - ненарушенный фронт детонации; 6 - нарушенный переуплотнением ВВ фронт детонации; 7 - уплотненное ВВ; 8 - зона повышенного давления; 9 - зона сжатия

Измерив, угол встречи продуктов детонации ВВ и ударной волны со стенкой шпура (он приблизительно равен φ≈42⁰), определим давление воздуха в зазоре за фронтом вновь образованной отраженной ударной волны. Рассчитанный по формуле (3) коэффициент отражения при угле 42⁰ составил k_отр=2,082. Исследуем влияние коэффициента заряжания ВВ в шпуре на величину давления воздуха за фронтом отраженной ударной волны и оценим влияние давления воздуха в зазоре на полноту детонации заряда ВВ в шпуре. Результаты расчета давления за фронтом отраженной ударной волны в зависимости от коэффициента заряжания шпура для аммонита №6ЖВ и опытного образца V класса показаны на графиках на рис. 7.

Р_УВ, МПа

Рис. 7. Давление воздуха во фронте ударной волны в зазоре шпура

Таблица 5. Результаты расчета давления воздуха за фронтом ударной волны

Результаты расчетов показывают, что уменьшение диаметра патрона с 36 мм до 32 мм в шпурах диаметром 43 мм, и с 45 мм до 36 мм в шпурах диаметром 52 мм, позволяет снизить действие давления ударной волны в зазоре на заряд ВВ V класса примерно на 13% и на 22%, на заряд ВВ II класса - на 10% и 18% соответственно.

Результаты работы [7] показали, что каждое ВВ имеет устойчивость детонации заряда под внешнем давлением воздуха, которое характеризуется величиной критического давления. Величина критического давления детонации заряда ВВ зависит от начального диаметра патрона и детонационной способности ВВ. Так, для аммонита №6ЖВ экспериментально установлено критическое давление детонации заряда под внешним давлением воздуха в зависимости от диаметра патронов ВВ:

, Па.

Определим по этой зависимости критические значения давления детонации для аммонита №6ЖВ в зависимости от диаметра патронов. Результаты расчетов приведены в табл. 6.

Таблица 6. Результаты расчета критического давления детонации для аммонита №6ЖВ

Результаты расчетов показывают, что давление воздуха за фронтом ударной волны в зазоре значительно превышает критическое давление детонации аммонита. Однако случаев отказов детонации или не полных детонаций заряда ВВ не зафиксировано. Поэтому динамическое приложение давления воздуха за фронтом ударной волны хотя и приводит к неравномерному переуплотнению ВВ впереди фронта детонации, но к нарушению детонации заряда может и не привести. Очевидно, что с увеличением времени воздействия избыточного давления, которое выше критического давления детонации ВВ, может произойти уменьшение диаметра ВВ вплоть до критического, при котором детонация в заряде сама по себе неустойчивая, и тогда действие внешнего давления на устойчивость детонации заряда ВВ будет определяющим. Однако вопросы развития нестационарных процессов детонации в зарядах ВВ при их неравномерном уплотнении под действием ударных волн в зазоре шпура на данный момент недостаточно изучены и требуют дальнейших исследований.

Выводы. В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

зависимость отношения скорости ударной волны в зазоре к скорости детонации заряда ВВ от коэффициента заряжания шпура имеет характерный минимум, который отвечает минимальному влиянию канального эффекта на скорость и устойчивость детонации заряда ВВ;

оптимальное значение коэффициента заряжания шпура, обеспечивающее минимальное действие канального эффекта на устойчивость детонации заряда ВВ достигается при применении патронов диаметром 32 мм в шпурах диаметром 43 мм, и патронов диаметром 36 мм - в шпурах 52 мм;

при детонации заряда в зазоре шпура ударная волна создает высокое давление воздуха, которое может подпрессовывать ВВ до запредельной плотности, при которой развитие детонации ВВ невозможно. Давление зависит от скорости распространения ударной волны в зазоре и угла встречи расширяющихся продуктов детонации ВВ со стенкой шпура;

динамическое действие давления воздуха за фронтом ударной волны хотя и приводит к неравномерному переуплотнению ВВ впереди фронта детонации, но к нарушению детонации заряда может и не привести. Однако с увеличением времени воздействия избыточного давления, которое выше критического давления детонации ВВ, может произойти уменьшение диаметра ВВ вплоть до критического, при котором детонация в заряде сама по себе неустойчивая, и тогда действие внешнего давления на устойчивость детонации заряда ВВ будет определяющим.

Дальнейшие работы направлены на изучение нестационарных процессов детонации в зарядах ВВ при их неравномерном уплотнении под действием ударных волн, образованных в зазоре шпура.

Литература

1.      И.А. Артеменко. Исследование скорости детонации шпуровых зарядов антигризутных взрывчатых веществ. М.: Углетехиздат, 1950. - 20 С.

.        С.А. Калякин. Исследование передачи детонации между патронами взрывчатых веществ в рассредоточенном заряде / Калякин С.А., Лабинский К.Н. / Высокоэнергетическая обработка материалов: Сб. научн. статей. - Днепропетровск: АРТ-ПРЕСС, 2009. - С. 50-59

.        Кобылкин И.Ф. Ударные и детонационные волны. Методы и исследования / Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев В.Е., Сысоев Н.Н. - М.: Физматлит, 2004.- 875 с.

.        Физика взрыва // Под ред. К.П Станюковича.- М.: Недра, 1975.- 704 С.

.        Л.П. Орленко. Физика взрыва и удара: Учебник для вузов / М.: Физматлит., 2008. - 304 С.

6.      Dremin A.N. Etude sur l’arret de la detonation par l’effet du canal / A.N. Dremin, R. Vanden Berghe / Explosifs, №1, 1968.- P. 5-23.

.        Матюнин В.С. Исследование процессов, протекающих при взрыве в массиве, и их влияние на безопасность короткозамедленного взрывания в шахтах, опасных по газу и пыли / В.С. Матюнин: Дисс… канд.техн.наук: 05.15.01.- Макеевка-Донбасс, 1969.-150 с.

Reference

.        I.A. Artyomenko. The velocity detonation research of blast-hole charges of preventive explosives. М.: Ugletehizdat, 1950. - 20 С.

.        S.A. Kalyakin. The transferring of detonation research between charges of explosives in dispersed explosive / Kalyakin S.A., Labinskiy K.N. / High-energetically processing of materials: Collection of dcientific articles. - Dnepropetrovsk: АRТ-PRESS, 2009. - С. 50-59

.        Kobylkin I.F. Shock and detonation waves. Methods and research / Kobylkin I.F., Selivanov V.V., Solovyev V.E., Sysoyev N.N. - М.: Fizmatlit, 2004.- 875 с.

.        Physics of explosion // Edition of К.P Stanukovich.- М.: Nedra, 1975.- 704 С.

5.      L.P. Orlenko. Physics of explosion and strike: Textbook for high school / М.: Fizmatlit., 2008. - 304 С.

6.      Dremin A.N. Etude sur l’arret de la detonation par l’effet du canal / A.N. Dremin, R. Vanden Berghe / Explosifs, №1, 1968.- P. 5-23.

7.      Matunin V.S. Researching of processes which flows during explosion in massif, their impact on safety of short-slow explosion in coal mines, nonsafe of gas and dust / V.S. Matunin: Diss… cand. techn. science: 05.15.01.- Makeyevka-Donbass, 1969.-150 с.

детонация скорость шпур заряд

Channel effect research in blast-hole on the velocity and entrie of detonation of explosives

.N. Labinskiy, S.A. Kalyakinstate technical universityst., 58, 83000, Donetsk, Ukraine. E-mail: bootor@gmail.comresults of research influence of channel effect on the velocity of detonation of blast-hole charge depending of the velocity of shock wave spreading in radial channel between the surface of blast-hole and side surface of blast-hole charge are given in the article. The optimal meaning of charging coefficient of blast-holes that provides the minimal influence of shock wave on the not yet detonated blast-hole charge is suggested.: velocity of detonation, shock wave, ionization sensors, charging coefficient of blast-hole, channel effect.

Дослідження впливу канального ефекту у шпурі на швидкість та повноту детонації заряду ВР

К.М. Лабінський, С.О. Калякін

Донецький національний технічний університет вул. Артема, 58, 83000, м. Донецьк, Україна. E-mail: bootor@gmail.com

Наведені результати дослідження впливу канального ефекту на швидкість детонації шпурового заряду В у залежності від швидкості розповсюдження ударної хвилі у радіальному зазорі між стінкою шпура та боковою поверхнею патронів ВР. Встановлено оптимальне значення коефіцієнта заряджання шпуру ВР, що забезпечує мінімальний вплив ударної хвилі, що випереджує детонаційний фронт, на ще не здетонувавшу частку шпурового заряду ВР.