Развитие теоретических основ создания и конструирования камерных пневмозарядчиков для заряжения шпуров и непатронированными взрывчатыми веществами

Актуальность темы

Гранулированные взрывчатые вещества в 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 отказамкроме 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 элементовтеоретических и экспериментальных исследований термодинамических процессов, протекающих внутри разомкнутой системы: обще шахтная магистраль сжатого воздуха — воздухоподводящий шланг — камерный зарядчикзарядный 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, аэрои гидротранспорта, а также современных компьютерных программ, например, MathCAD 6,0+, Delfi и if 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:

1. Энергия перемещения взрывчатого вещества в зарядчике и по зарядному шлангу внутрь заряжаемой полости и ее характер (пневматическая, механическая и пневмомеханическая) являются г4. 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.

2. Наилучшее псевдоожижение взрывчатого вещества может быть обеспечено максимальной скоростью струй воздуха, вытекающих из отверстий аэратора, что возможно при соблюдении условий неравенства, при ft 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 зарядчикзарядный 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 целомсогласованностью 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.

4. 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 системыизотермическом во всех элементах системыадиабатном в местных сопротивлениях и изотермическом по длине трубопроводов и внутри камеры зарядчика.

5. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 ii> 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 <щ. 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 <щ 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, 19 722 004), ВиМС Использование энергии взрыва на объектах мелиоративного строительства и на открытых горных работах (Киев, 1979, Москва, 1991), ВИ1ПО 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), П-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.

1.4. Выводы и обоснование необходимости разработки новых механизмов.

Проведенный выше анализ заряжающих устройств, способов и средств борьбы с пылью и электризацией, способов и устройств увлажнения ВВ, а также состояния теоретических исследований протекающих в них процессов позволяет сделать следующие выводы:

1. Наиболее эффективным и перспективным в настоящее время является пневматическое заряжание взрывных полостей гранулированными ВВ. Однако не все вопросы, связанные с широким внедрением пневмозаряжания ГВВ, еще решены. Так, устройства для заряжания ГВВ не обеспечивают плотности ВВ в заряде, отвечающей современным требованиям производства. Способ заряжания путем увлажнения ГВВ водой неэффективен, неэффективны и средства для его осуществления. В связи с этим условия заряжания из-за высокой запыленности призабойного пространства компонентами ГВВ (достигающей в некоторых случаях 0,3 ' 10″ кг/м [9]) не всегда отвечают санитарно-гигиеническим нормам (1,0 ' 10″ 6 кг/м3 — для тротила и 2,0 ' 10″ 6 кг/м3 — для алюминиевой пудры), имеются случаи неуправляемых взрывов [10, 11], вызванных электризацией потока ВВ и зарядного шланга, а также не всегда достаточно эффективны буровзрывные работы.

2. Из всех конструкций заряжающих механизмов наиболее эффективными и безопасными являются камерные пневматические зарядчики из-за того, что в них наиболее полно используется энергия сжатого воздуха как на разгрузку взрывчатого вещества из камеры, так и на его транспортирование по зарядному шлангу внутрь шпура или скважины. При этом в них отсутствуют узлы и детали, перемещающиеся в среде взрывчатого вещества.

Однако в настоящее время нет достаточно эффективных конструкций камерных пневмозарядчиков для заряжания гранулированных взрывчатых веществ, которые обеспечивали бы одинаковую работоспособность и эффективность как при заряжании шпуров, так и скважин. Это приводит к появлению большой номенклатуры заряжающих механизмов, что в условиях рыночных отношений не достаточно эффективно. Кроме того, в настоящее время нет ни одной конструкции камерного пневматического зарядчика, которая бы обеспечивала возможность заряжания непатронированных пластичных взрывчатых веществ. А это, в свою очередь, снижает эффективность взрывных работ. ьИБлиотекд.

3. В настоящее время отсутствует зарядчик унифицированной конструкции, позволяющий заряжать как шпуры, так и скважины и обеспечивающий равномерную и бесперебойную подачу ВВ в зарядный шланг. Из всех принципов конструкций заряжающих устройств для создания унифицированного зарядчика наиболее предпочтительно применение камерного зарядчика с нижней разгрузкой и встроенной системой увлажнения.

4. Из всех способов борьбы с пылью и электризацией при транспортировании и заряжании ГВВ наиболее эффективным является автоматизированное увлажнение гранулированных взрывчатых веществ в процессе заряжания непосредственно в зарядном шланге. Однако среди существующих конструкций увлажняющих устройств, обеспечивающих указанный способ, нет простых и надежных устройств, гарантирующих равномерную и бесперебойную подачу смачивающей жидкости в поток ВВ с автоматическим поддержанием заданного соотношения смешиваемых компонентов. Для разработки такого устройства наиболее предпочтительно применение мембранных механизмов.

5. Подача в зарядный шланг технической воды не устраняет в достаточной мере опасности пылевыделения вредных и опасных для организма человека компонентов В В (таких как алюминиевая пудра и тротиловая пыль) в призабойное пространство. Для обеспечения полного предупреждения пылевыделения компонентов ГВВ в призабойное пространство необходимо в зарядный шланг одновременно с ВВ подавать специальные смачивающие жидкости, приготовленные с применением поверхностно-активных веществ.

6. В существующих в настоящее время теоретических исследованиях довольно хорошо рассматривается движение сжатого воздуха в отдельных элементах, например, в компрессорном агрегате, трубопроводе (по типу общешахтного) с потребителем сжатого воздуха на его конце, или внутри потребителя сжатого воздуха, потери давления на движение сжатого воздуха по трубопроводам при различных режимах (ламинарный или турбулентный), а также при различных местных сопротивлениях. При этом учтены также термодинамические режимы движения воздуха в указанных выше элементах (адиабатный — в компрессорном агрегате и внутри потребителя сжатого воздуха, изотермический — внутри трубопровода, где учтено также расширение сжатого воздуха при его перемещении по трубопроводу).

Однако нами не обнаружено теоретического решения проблемы движения сжатого воздуха по системе: общешахтная магистраль — воздухоподво-дящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур, скважина или минная камера) или ей подобной, кроме указания на то, что подобным системам, наиболее полно отвечающим действительным процессам, соответствовали бы изотермический турбулентный режим движения сжатого воздуха по трубопроводам и внутри камеры, а в местных сопротивлениях — адиабатный.

7. Существуют теоретические исследования пневмои гидротранспорта, в которых выводы делаются, в одних случаях, на основе упрощенной модели движения одиночной транспортируемой частицы, в других случаях, при рассмотрении движущегося потока в виде сплошной массы (то есть в виде поршня) без учета так называемого эффекта проскальзывания транспортирующего агента (воздуха или жидкости), в третьих случаях, используя эмпирические зависимости, распространяющиеся на конкретный материал, транспортируемый в конкретных условиях.

Однако эти исследования не обеспечивают определение времени опорожнения камеры зарядчика и плотности пневмотранспортного потока внутри зарядного шланга и, как следствие, не позволяют определить производительность заряжания шпуров и скважин.

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 пневмозарядчиков, их эффективность, а также значительно снижающих техническую и экологическую опасность применения как способа, так и конкретных устройств для механизации взрывных работ. Это стало возможно за счет развития теоретических основ и изучения процессов работы сжатого воздуха внутри разомкнутой системы: общешахтная магистраль сжатого воздуха — воздухоподводящий шланг — камерный зарядчик — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) и использования их результатов при разработке и конструировании как конкретных узлов и деталей, так и пневмозарядчиков в целом, включая разработку специальных увлажняющих устройств для промышленных зарядчиков, создание новой конструкции зарядчика со встроенной системой увлажнения и различных составов смачивающих жидкостей, обеспечивающих повышение плотности заряжания, а также улучшение санитарно-гигиенических условий и повышение безопасности труда.

Проведенный анализ оборудования для заряжания взрывных полостей непатронированными взрывчатыми веществами и существующих теоретических исследований протекающих в них процессов, а также поставленная цель позволяют сформулировать ряд направлений совершенствования пневмозаряжания непатронированных взрывчатых веществ и развития теоретических основ создания и конструирования оборудования для этого:

1. Увлажнение ГВВ необходимо проводить устройствами, которые обеспечивали бы автоматизированное увлажнение гранулированных ВВ в зарядном шланге, равномерную подачу смачивающей жидкости в поток ВВ и автоматическое поддержание заданного соотношения жидкости и ВВ. В основу таких конструкций может быть положен мембранный механизм, как наиболее простой в изготовлении и эксплуатации.

2. Равномерность подачи ВВ в зарядный шланг и заряжаемую полость, высокая плотность заряжания ГВВ и одновременно высокая безопасность работы, предупреждение образования и накопления статического электричества в потоке ВВ и зарядном шланге, а также пылевыделения компонентов ВВ в призабойное пространство могут быть достигнуты применением заряжающего механизма, в основу которого положен камерный пневматический зарядчик с нижней разгрузкой ВВ, снабженный системой увлажнения, являющийся наиболее простым в изготовлении, обслуживании, эксплуатации и управлении.

3. Необходима разработка унифицированного камерного пневмозарядчика, обеспечивающего одинаковую эффективность заряжания шпуров и скважин как гранулированными, так и пластичными непатронированными взрывчатыми веществами.

4. Увлажняющее устройство должно быть снабжено блокирующим механизмом, исключающим возможность заряжания без смачивающей жидкости, в основу которого может быть положен цилиндр с подпружиненным поршнем.

5. Для обеспечения эффективности борьбы с пылью и электризацией при пневмозаряжании ГВВ их увлажнение должно осуществляться не технической водой, а смачивающей жидкостью, приготовленной с применением ПАВ.

Необходимо определить параметры сжатого воздуха во всех элементах системы: общешахтная магистраль — воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — шпур или скважина вначале при продувке системы сжатым воздухом, а затем при совместном перемещении по системе сжатого воздуха с взрывчатым веществом в установившемся потоке как воздуха, так и транспортируемой смеси при различных режимах расширения сжатого воздуха при его перемещении вдоль рассматриваемой системы.

В связи с этим в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование и выбор способов и средств совершенствования существующего пневмозаряжания гранулированных ВВ, обоснование и выбор параметров вновь разработанного заряжающего оборудования.

2. Разработка, исследование, испытание и внедрение устройств для увлажнения гранулированных ВВ в процессе пневмозаряжания, предназначенных для работы с применяющимися в промышленности зарядчиками, включая обоснование, выбор и исследование материала мембраны механизма увлажняющих устройств.

3. Обоснование и разработка методики расчёта производительности бесштоковых мембранных механизмов.

4. Создание и обоснование конструкции камерного зарядчика, снабженного встроенной системой увлажнения, которая могла бы стать основой для разработки унифицированного зарядчика, предназначенного для заряжания как шпуров, так и скважин при различных объемах взрывных работ и обеспечивающего равномерную и бесперебойную подачу ВВ в зарядный шланг и далее в заряжаемую полость.

5. Разработка унифицированного камерного пневматического зарядчика требует выбора, обоснования, разработки и оптимизации всех его элементов конструкции, включая:

1. Компоновку.

2. Форму и размеры камеры.

3. Загрузочный узел камеры.

4. Запорную арматуру.

5. Устройства оперативного управления работой.

6. Транспортный узел.

7. Конструкцию аэратора.

8. Увлажняющее устройство для пневмозаряжания гранулированных взрывчатых веществ.

6. Обоснование и выбор, а также исследование взаимодействия различных поверхностно-активных веществ с компонентами гранулированных ВВ, разработка смачивающих жидкостей, усиливающих эффект увлажнения.

7. Развитие теоретических основ процесса пневмозаряжания требует:

7.1. Теоретического исследования работы камерного пневмозарядчика в установившемся режиме движения сжатого воздуха по системе: общешахтная магистраль — воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) (операция продувки рассматриваемой системы, предваряющая заряжание шпуров или скважин взрывчатым веществом) при условии, что: все процессы во всех элементах системы протекают в адиабатном термодинамическом режимевсе процессы во всех элементах системы протекают в изотермическом термодинамическом режимепроцессы внутри трубопроводов (шлангов, шпуров и скважин) и внутри камеры зарядчика протекают в изотермическом режиме, а в местных сопротивлениях — в адиабатном, когда: скорость движения сжатого воздуха во всех элементах системы не равна скорости звука в немскорость движения сжатого воздуха при входе в камеру зарядчика равна скорости звука в немскорость движения сжатого воздуха при выходе из зарядного шланга внутрь скважины равна скорости звука в немскорость движения сжатого воздуха при входе в камеру зарядчика и при выходе из зарядного шланга внутрь скважины равна скорости звука в нем.

7.2. Теоретического исследования работы камерного пневмозарядчика в процессе пневмозаряжания шпуров и скважин в установившемся режиме движения смеси сжатого воздуха с взрывчатым веществом по рассматриваемой системе, включая определение: времени опорожнения камеры зарядчика от взрывчатого веществаконцентрации взрывчатого вещества в зарядном шланге при заряжании шпуров и скважинпроизводительности пневмозаряжания шпуров и скважинпроизводительности увлажняющего устройства.

7.3. Развития теоретических основ создания и конструирования камерных пневмозарядчиков требует: определения необходимого соотношения диаметров заряжаемых шпуров или скважин и зарядного шлангараспределения отверстий в аэраторах различных конструкций и определения мест расположения этих отверстий на поверхности аэратора.

8. Экспериментальное доказательство возможности разработки унифицированного камерного пневмозарядчика, предназначенного для заряжания как шпуров, так и скважин гранулированными и пластичными непатронированными взрывчатыми веществами, обеспечивающего равномерную и бесперебойную подачу взрывчатого вещества в зарядный шланг и далее в заряжаемую полость.

9. Экспериментальное доказательство возможности увеличения плотности заряжания взрывных полостей гранулированными ВВ, предупреждения электризации ВВ и зарядного шланга, пылевыделения компонентов гранулированных ВВ в призабойное пространство за счет разработанных способов и средств совершенствования пневмозаряжания шпуров и скважин гранулированными взрывчатыми веществами.

2. Выбор, обоснование и оптимизация, разработка и испытание элементов конструкций камерных пневмозарядчиков.

2.1. Планирование, постановка и обработка результатов экспериментов.

При подготовке к проведению опытных работ и обоснования их количества использована статистическая теория планирования экспериментов. При этом осуществлялись:

1) выбор факторов х и откликов^;

2) определение количества наблюдений п, то есть определение количества и численных значений факторов (xi, x2,., xn);

3) определение числа измерений т значений аргумента в каждом наблюдении, то есть определение числа наблюдений отклика (упУп^-^УгГ) по каждому фактору.

При анализе и обработке результатов экспериментов применялись такие методы математической статистики, как корреляционно-регрессионный и дисперсионный анализы, обеспечивающие выбор наиболее адекватного вида уравнения зависимости отклика от факторов, объективную оценку степени влияния количественных и качественных факторов на исследуемые значения аргумента.

Выбор факторов и отклика проводили на основании априорной информации, то есть на основании изучения литературных источников по аналогичным или близким к изучаемым вопросам или опираясь на общеинженерные знания и опыт работы в изучаемой области и с изучаемыми устройствами. Так, например, величина прогиба мембраны зависит от давления сжатого воздуха, подаваемого под мембрану, коэффициент поверхностного натяжения растворов зависит от концентрации ПАВ в этих растворах, а влажность ВВ при смачивании их с помощью разработанных при выполнении настоящей работы устройств ПЖЗШ (Ардон), согласно конструкции этих устройств, зависит от диаметра отверстия в жиклёре и так далее. Таким образом, факторами в этих случаях являются давление сжатого воздуха, концентрация поверхностно-активных веществ в растворе, диаметр отверстия в жиклёре и так далее. А откликами будут величина прогиба мембраны, поверхностное натяжение растворов, влажность ВВ и так далее.

Определение количества наблюдений п, то есть количества и числовых значений факторов (х/, Х2,., ХП), проводили установлением их минимальных и максимальных значений количества и числовых значений факторов, по которым необходимо определить значения откликов внутри установленного интервала значений факторов. Одновременно определяли стратегию проведения эксперимента.

Минимальные значения факторов xmin устанавливались практически при выборе факторов и откликов, и в нашем случае они равны нулю (хт/й=0). Так, например, нас интересует величина прогиба мембраны, когда давление сжатого воздуха под мембраной равно нулю, то есть начальная величина прогиба мембраныдля сравнения нам интересна величина поверхностного натяжения самой воды, когда концентрация добавок в растворе равна нулю, а также изменение исходной влажности ВВ, когда увлажняющее устройство отключено от зарядчика и так далее.

Верхний предел интервала, то есть максимальное значение фактора хтах, определяется на основании априорной информации и предварительных опытов, которые затем уточняли при проведении экспериментов. Так, максимальная концентрация ПАВ в растворе на основании априорной информации не превышает 10%, а экспериментами это значение ограничено 5%. Максимальный диаметр отверстия в жиклёре принят равным 4,5 мм, увеличение которого при проведении эксперимента признано бессмысленным. Максимальное давление сжатого воздуха, которое должно воздействовать на мембрану при определении её прогиба, согласно предварительным экспериментам равно (2,5 — 3)105 Па (при этом давлении произошло разрушение исследуемой мембраны) и так далее.

Разбивку полученных интервалов, то есть определение количества и числовых значений факторов (xj, х2,., х"), проводили в зависимости от длины интервала, обеспечивая при этом минимальное количество наблюдений. При небольшой длине интервал разбивали равномерно с определенным шагом. Так, например, интервал диаметра отверстий в жиклёре, равный 0 — 4,5 мм, был разбит на 10 частей с шагом, 0,5 мм. При большей длине интервал разбивали согласно фибоначчиеву плану, то есть числовые значения практически соответствуют числам Фибоначчи [142]. Так, интервал концентрации ПАВ в растворе, равный 0 — 5%, разбит на 10 частей, практически соответственно указанным выше числам и равен xmin=xi=0- jt2=0,01- хз=0,02- ^4=0,05- -с5=0,1- х6=0,2- х7=0,5- .х8=1- х9=2- хю=5. Этому способствовала также априорная информация и теория поверхностно-активных веществ, которая говорит о том, что меньшие значения концентраций добавок в растворе воздействуют на его свойства более значительно, чем большие. От количества выбранных точек зависит точность описания исследуемого процесса корреляционными формулами, что облегчает их подбор. Согласно [142] количество таких точек должно быть не менее 6 (п>6). При проведении всех опытов принята однократная стратегия проведения эксперимента, то есть условия всей серии опытов определены заранее, опыты ставят последовательно, а результаты отдельных опытов не влияют на выбор последующих точек [142].

Достоверность полученных результатов зависит от числа изменений т аргумента в каждом наблюдении (у/, уппупт), то есть от числа наблюдений отклика по каждому фактору (1, 2,., т).

Необходимое число наблюдений т отклика у по каждому фактору jt определяли методом математической статистики [143, 144] по формуле:

S2t2.

2.1) 1 т' 9 где s =-У к ~У) ~ выборочная дисперсия при малом числе наm'~h=1 блюдений;

1 т' у' = —^Ук ' математическое ожидание случайной величины у, то есть т’к=1 среднеарифметическое значение у по предварительным опытамт' - число наблюдений величины у в процессе предварительного экспериментаtp — критерий Стьюдента (определяется по таблицам для доверительной вероятностир = 0,95 при числе наблюдений т');

1Р=10% - максимально допускаемое отклонение среднего значения отклика от истинного.

Значения Ip= 10% ир = 0,95 приняты нами до начала эксперимента. Для упрощения и ускорения расчётов в большинстве случаев при планировании экспериментов вместо формулы (2.1) использовали аналогичную формулу [224]:

2, 2 г 2/2 xv, tn mw, kw, w = = — (2.2) г2 T2 т2 V ' а, 1 п 1 п m Р Р где kw = —tp, — табличный коэффициент [145]- dm> V т'.

Wm> = ymax —^min «размах варьирования, то есть разность между максимальным и минимальным значениями отклика, полученными при предварительных экспериментах.

Формула (2.2) получается из формулы (2.1) при подстановке значений выборочной дисперсии, определенной в [145] и равной и>

S = т d '.

Если теперь по полученным выше данным составим таблицу, то получим полный план проведения однофакторного эксперимента (а именно такие эксперименты проводили при выполнении данной работы).

Полученные в процессе эксперимента значения отклика (табл. 2.1, колонка 3) и их средние значения (табл. 2.1, колонка 4) требуют ориентировочной оценки. Достоверность полученных результатов и достаточность количества наблюдений отклика по каждому фактору определялись методами дисперсионного анализа [145]. Различия между средними значениями можно полагать достоверными, если выполняется условие kNw. (2.3) где kN и dn — табличные коэффициенты [145]. При этом N = п численность вариантов в группах, для которых рассчитаны сравниваемые средниечисло степеней свободы, которое необходимо для нахождения последнего коэффициента, определяется по формуле f = п (т — I) — f TYI уп — построчные средние значения отклика (табл. 2.1, колонка 4) — w' - средний размах варьирования по всем совокупностям (итоговое значение колонки 5, табл. 2.1).

В том случае, если условие (2.3) удовлетворяется, то эксперимент закончен и можно переходить к более детальному анализу полученных результатов, имея при этом большую вероятность доказать влияние изучаемого фактора на выбранный отклик. Если условие (2.3) не удовлетворяется, то необходимо эксперимент продолжить, увеличив число наблюдений т отклика по каждому фактору.

Окончательная обработка результатов эксперимента заключалась в определении вида корреляционной зависимости отклика от фактора и расчета коэффициентов регрессии. Эту работу проводили с привлечением метода наименьших квадратов и с применением ЭВМ по известным стандартным у’Г-у? программам [146]. При этом предполагалось, что распределение случайных величин происходило по нормальному закону.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа является законченным научным исследованием, в котором изложены научно обоснованные технические и технологические решения по развитию теоретических основ создания и конструирования камерных пневмозарядчиков для заряжания шпуров и скважин непатронированными взрывчатыми веществами, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие взрывного комплекса горной промышленности при улучшении безопасности и экологического комфорта работ. В результате выполненных исследований разработаны способы и средства совершенствования пневмозаряжания взрывных полостей гранулированными ВВ. Применение предлагаемых оборудования и технологии обеспечивает более высокую плотность ВВ в заряде, снижение расслоения ГВВ в процессе пневмотранспорта, практически полное предупреждение пылевыделения компонентов ГВВ в призабойное пространство, предотвращение возникновения и накопления статического электричества в потоке ВВ и зарядном шланге.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Определяющим признаком, подразделяющим конструкции заряжающих механизмов на классы, является энергия перемещения взрывчатого вещества в зарядчике и по зарядному шлангу внутрь заряжаемой полости и ее характер (пневматическая, механическая и пневмомеханическая), а конструктивные особенности — по типу, причем вид взрывчатого вещества (патронированные и непатронированные) является основным признаком, подразделяющим зарядчики по их виду.

2. Разработаны классификации конструкций зарядчиков, способов и средств борьбы с пылью и со статическим электричеством при пневмозаряжании гранулированных ВВ, а также способов и устройств увлажнения ВВ, позволившие наметить конкретные пути совершенствования пневмозаряжания ГВВ.

3. 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.

4. Определяющим параметром для поддержания заданного соотношения жидкости и гранулированного взрывчатого вещества при его увлажнении в процессе пневмозаряжания шпуров и скважин является перепад давлений сжатого воздуха в камере зарядчика и в ее выходном отверстии.

5. Установлено, что увлажняющие устройства должны быть мембранными, а унифицированный зарядчик — камерным пневматическим с нижней разгрузкой ВВ, снабженный системой увлажнения. Увлажняющие устройства должны быть снабжены блокирующим механизмом, предотвращающим подачу ВВ в зарядный шланг при отсутствии жидкости в устройстве.

6. Доказано, что наиболее приемлемым материалом для изготовления мембран к увлажняющим устройствам является вакуумная резина (например, марки НО-68−1).

7. Разработаны новые конструкции увлажняющих устройств ПЖЗШ (Ардон) и унифицированного зарядчика КПЗП (Кавказ) со встроенной системой увлажнения, позволившие увеличить плотность заряжания шпуров и скважин по сравнению с заряжанием ВВ без увлажнения в среднем на 20%, практически полностью предупредить электризацию потока ВВ и зарядного шланга (максимальная плотность электрического заряда, зафиксированная в потоке ВВ и зарядном шланге, равнялась 1,5.10−13 Кл/м3, при допустимой безопасной величине для тех же условий, равной 4,1 Кл/м3), снизить запыленность призабойного пространства вредными компонентами ВВ до уровня ПДК.

8. Разработана методика расчёта производительности бесштоковых мембранных механизмов, позволившая определить основные параметры и конструктивные размеры увлажняющих устройств.

9. Выбраны и исследованы составы смачивающих жидкостей для различных ГВВ и условий применения (положительные и отрицательные температуры), позволившие снизить запылённость призабойного пространства алюминиевой тротиловой пылью значительно ниже ПДК. Доказано, что рациональными составами являются смачивающие жидкости, содержащие при заряжании алюмосодержащих ГВВ, например гранулит АС-8 от 0,01 до 1,0%, а тротил содержащих, например граммонит 79/21 — от 0,01 до 5,0% поверхностно-активных веществ. Установлено, что наиболее эффективными ПАВ являются средства для антистатической обработки синтетических материалов и антифризные добавки.

10. Только подход математическому исследованию системы: воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) при её продувке сжатым воздухом в случае адиабатного термодинамического процесса в местных сопротивлениях и изотермического внутри зарядчика и по длине трубопроводов системы дает возможность рассмотрения случаев возникновения скорости потока равной скорости звука в нем во входном сечении камеры зарядчика, в выходном сечении зарядного шланга внутри заряжаемой скважины или в обоих сечениях одновременно с критическим давлением и максимальным расходом в указанных сечениях.

11. Разработана методика математического исследования системы: воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) при её продувке сжатым воздухом в случае адиабатного термодинамического процесса во всех элементах системы. По указанной методике составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая при различных задаваемых параметрах системы получать графические зависимости давления, расхода и скорости потока от длины системы.

12. Разработана методика математического исследования системы: воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) при её продувке сжатым воздухом в случае изотермического термодинамического процесса во всех элементах системы. По указанной методике составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая при различных задаваемых параметрах системы получать графические зависимости давления, расхода и скорости потока от длины системы.

13. Разработана методика математического исследования системы: воздухоподводящий шланг — камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) при её продувке сжатым воздухом в случае адиабатного термодинамического процесса в местных сопротивлениях и изотермического внутри зарядчика и по длине трубопроводов системы. По указанной методике составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая при различных задаваемых параметрах системы получать графические зависимости давления, расхода и скорости потока от длины системы. Только этот подход к исследованию изучаемой системы показал на возможность возникновения скорости потока равной скорости звука в нем во входном сечении камеры зарядчика, в выходном сечении зарядного шланга внутри заряжаемой скважине или в обоих сечения одновременно.

14. Разработана методика математического исследования системы: камера зарядчика — зарядный шланг — заряжаемая полость (шпур или скважина) при заряжании шпуров или скважин взрывчатым веществом. По указанной методике составлена программа расчета на ЭВМ, позволяющая при различных задаваемых параметрах системы получать графические зависимости давления, расхода и скорости потока от длины системы, а также времени опорожнения камеры зарядчика от взрывчатого вещества.

15. Разработана методика расчета различных аэраторов, применение которых возможно в камерных зарядчиках и камерных насосах. На основании этой методики составлена программа на ЭВМ, позволяющая при различных задаваемых параметрах камеры зарядчика легко расчитать параметры любого аэратора (плоское ложное днище, цилиндроконическое ложное днище, трубчатый аэратор, располагаемый по центру или вдоль стенок камеры) с выводом эскиза расположения аэрирующих отверстий по аэратору.

16. Разработана, изготовлена, исследована и внедрена доставочно-зарядная машина ДЗМ-1Т (Баксан-1), позволяющая доставлять в забои очистных работ растаренные гранулированные взрывчатые вещества с последующим заряжанием скважин.

17. Разработана и изготовлена доставочно-зарядная машина ДЗМ-2Т (Баксан-2), позволяющая доставлять в забои проходческих работ патронированных ВВ, средства взрывания и растаренные гранулированные взрывчатые вещества с последующим заряжанием шпуров.

18. Внедрение рекомендаций данной работы на Садонском, Урупском и Тырныаузском комбинатах только за счёт повышения плотности заряжания, обеспечивающей снижение объёмов бурения на очистных работах и повышение КИШ на проходческих работах, позволило получить за период с 1977 по 1981 гг. фактический экономический эффект в размере 410 тыс.р. При этом повышена безопасность работ и значительно улучшены условия труда.