Управление Ростехнадзора по Калужской области

О классификации промышленных взрывчатых веществ по условиям применения

Б.Н. Кукиб,
канд. техн. наук, зам.технического директора по научной работе(ЗАО «Нитро Сибирь»)
Б.Н. Кутузов,
проф., д-р техн. Наук (Московский государственный горный университет)

 

Cогласно общепринятой классификации взрывчатых веществ (ВВ) по условиям применения их делят на восемь классов. Первые семь пронумерованы (I–VII), а восьмой по каким-то причинам не получил номера. Он просто назван специальным классом (Табл.3 Приложения 1 к ПБ 13-407-01).

К недостаткам данного документа можно отнести следующее.

Во-первых, для ВВ V класса не было указано, что их следует применять в случае, когда есть вероятность торцевого обнажения шпуровых зарядов. А такая вероятность всегда существует при групповом короткозамедленном взрывании.

Во-вторых, отсутствует логическая последовательность в отношении специальных работ. Так, почему-то ВВ для специальных взрывных работ (ВР) в угольных шахтах выделены в отдельный VII класс, а ВВ для специальных ВР в других условиях — в специальный класс С, к которому относятся «непредохранительные и предохранительные ВВ и изделия из них, предназначенные для специальных ВР, кроме забоев подземных выработок, в которых возможно образование взрывоопасной концентрации метана и угольной пыли».

В этой связи возникает ряд вопросов.

Почему в подземных выработках обычные ВР в сульфидных рудах (группа 2) отнесены к специальным видам ВР? И почему этого не сделано в отношении ВР на земной поверхности? Почему ВР, проводимые обычным шпуровым способом «в серных, нефтяных и других шахтах, опасных по взрыву серной пыли, водорода и паров тяжелых углеводородов», отнесены к специальным видам работ, хотя они ничем не «специальнее» ВР в угольных шахтах и производятся с использованием предохранительных ВВ?

Введением в классификацию нового специального класса была также нарушена стройная система, когда почти каждому классу ВВ соответствовал свой цвет оболочки патронов (в специальном классе оказались ВВ с оболочками четырех цветов).

Помимо этого имеется нечеткость и неправильность деления выработок в угольных шахтах на категории: «в которых имеется выделение горючих газов» и «в которых имеется повышенное выделение горючих газов».

Нечеткость формулировок заключается в том, что вместо количественных оценок газовыделения, которые и должны присутствовать в таких документах, даются неопределенные характеристики качественного порядка «с повышенным выделением горючих газов».

Неправильность же указанного выше разделения выработок на две категории по газообильности состоит в том, что в данном случае объем выделившихся горючих газов не является основным фактором, от которого зависит взрывоопасность воздушной среды в призабойном пространстве, так как при ВР в угольных или смешанных забоях, помимо метана и воздуха, в призабойном пространстве находится и угольная пыль. В работе же указывается: «Метан, содержащийся в шахтной атмосфере, повышает взрывчатость взвешенной угольной пыли. В результате добавок 0,3–0,5 % метана взвеси, не способн ые в чистом виде взрываться, становятся взрывчатыми». Но содержание 0,3–0,5 % метана в атмосфере призабойного пространства очень часто наблюдается даже перед началом ВР, поэтому можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев при короткозамедленном взрывании в угольных и смешанных забоях после взрыва врубовых шпуров в призабойном пространстве образуется взрывчатая метанопылевоздушная смесь, и в случае торцевого или бокового обнажения шпурового заряда последующей ступени замедления могут произойти воспламенение и взрыв этой смеси в призабойном пространстве.

Но главный недостаток рассматриваемой классификации — она представляет собой перечень условий применения промышленных ВВ различных классов. Настоящая классификация должна содержать методы испытаний и критерии отнесения исследуемых ВВ к тому или иному классу. Этого в рассматриваемом документе нет.

В связи с отмеченными недостатками необходимо переработать классификацию промышленных ВВ по условиям применения. По нашему мнению, она должна выглядеть следующим образом (см. таблицу ).

Основное классификационное испытание для ВВ класса 1 — определение критического диаметра детонации d кр, так как от этой характеристики ВВ зависит безотказность и техническая эффективность взрывания шпуровых скважинных зарядов различного диаметра. В настоящее время d кр обычно определяют взрыванием цилиндрических зарядов различного диаметра, при этом, как правило, используют заряды длиной (5÷10) d .

Недостаток этого метода состоит в том, что в нем в качестве свидетельства протекания детонационного процесса принимается факт прохождения взрывного процесса на всю длину заряда. Такой подход приводит к ошибкам, так как помимо стационарных детонационных процессов, распространяющихся в зарядах диаметром, равным критическому и выше, в зарядах диаметром ниже критического протекают нестационарные затухающие взрывные процессы. Длина же распространения затухающего взрывного процесса зависит от соотношения между диаметром заряда и критическим диаметром детонации ВВ.

В работе показано, что в случае определения d кр при длине заряда 5 d установленный критический диаметр составит всего лишь 40 % истинного значения d кр, при длине зарядов 10 d — 70 % и даже при длине зарядов 40 d — только 80 %. Поэтому почти все значения d кр промышленных ВВ, приводимые в технической литературе, значительно занижены.

Для того, чтобы отличить затухающие взрывные процессы от стационарных и определить истинное значение d кр, следует проводить опыты в зарядах достаточно большой длины (30 d и более) и с обязательным установлением скорости распространения взрывного процесса по всей длине заряда.

Для ВВ, используемых в шпуровых или скважинных зарядах, испытание следует проводить в стальных трубах толщиной стенки 4–5 мм, так как стальная оболочка лучше всего моделирует условия взрывания зарядов ВВ в окружении крепких горных пород. При этом d кр для скважинных зарядов должен быть не более 85 мм. Такое предельное значение его было выбрано авторами по следующим соображениям.

Во-первых, в книге М.А. Кука указано, что заряды ВВ, имеющие в картонной оболочке d кр более 228 мм, считаются непригодными для промышленного применения. В работе установлено, что для одного и того же ВВ при изменении материала оболочки от картона до стали d кр уменьшается в 2,7 раза. Тогда приводимое М.А. Куком предельное значение d кр при взрывании ВВ в стальных оболочках будет составлять 228 : 2,7 = 84 мм.

Во-вторых, в работе показано, что для обеспечения высокой эффективности взрывания диаметр скважины должен быть в 4–5 раз больше критического диаметра детонации ВВ. Если исходить из того, что максимальный диаметр скважин, используемых в настоящее время в горнодобывающей промышленности нашей страны, составляет 320 мм, то предельное значение критического диаметра будет 320 : 4 = 80 мм.

Для скважин диаметром 105 мм безотказность и высокая степень эффективности взрывания будут обеспечены при применении ВВ, имеющих критический диаметр детонации в стальной оболочке около 25 мм. Для ВВ подкласса 1.2 следует оценивать их водоустойчивость, а для ВВ подкласса 1.3 — испытывать на совместимость с сульфидсодержащими рудами и породами.

Для ВВ подкласса 1.4 определяют критический диаметр или критическую толщину слоя, другие характеристики в соответствии с требованиями технических условий. Для ВВ класса 2 первое основное классификационное испытание — определение d кр в стальной оболочке, который должен быть не более 30 мм (исходя из того, что при проведении взрывных работ в подземных условиях в основном используют скважины диаметром 105 мм). Второе основное классификационное испытание для ВВ этого класса — оценка токсичности продуктов взрыва.

В работе справедливо утверждается о необходимости разработки нового метода оценки газовой вредности, который был бы применим для испытания современных промышленных ВВ, часто имеющих большие значения. Предлагается и конкретное воплощение такого метода, в основу которого положено взрывание в опытной горной выработке сравнительно больших зарядов ВВ в стальных оболочках диаметром 42–100 мм. Этот метод можно принять за основу, но предварительно устранить некоторые методические недостатки, из-за которых имеется значительное расхождение в объемах токсичных газов, определяемых по данному методу и при взрывных работах в реальных производственных условиях.

Так, для аммонита 6ЖВ при скорости детонации 5,1 км/с, что близко к идеальной скорости детонации ( D и = 5,3÷5,6 км/с), в соответствии с изданием «Оценка взрывчатых характеристик и газовой вредности промышленных ВВ» (авторы Е.А. Власова, А.С. Державец, С.А. Козырев и др.) при взрыве образуется 112 л/кг условного оксида углерода, при взрывании шпуровых зарядов этого ВВ в реальных производственных условиях — 27,8–61,5 л/кг, а при использовании накладных или подвешенных зарядов — 126,2–201,7 л/кг.

Возможно повышенное содержание токсичных газов, определенное для аммонита 6ЖВ, связано с тем, что «в начале каждого цикла экспериментов перед первым измерением производят предварительный взрыв одного-двух патронов аммонита 6ЖВ с целью «подсушить» выработку и насытить окружающую среду полигона окислами азота». Другой возможной причиной повышенного содержания токсичных газов в продуктах взрыва может послужить то, что гранулированные ВВ испытывали в условиях, близких к критическим. Так, скорость детонации граммонита составила 3,5 км/с, а критическая скорость детонации для этого ВВ, в соответствии с экспериментальными результатами К.К. Шведова, равнялась 3,57 км/с, а по данным Л.В. Дубнова и И.Т. Колесниченко, — 3,68–3,85 км/с.

Остается открытым вопрос и о допустимых для ВВ классов 2 и 3 предельных нормах образования токсичных газов. Много лет назад в нашей стране существовала норма для ВВ класса 2, равная 50 л/кг условного оксида углерода. Затем про нее как-то забыли, а установить эти нормы для ВВ классов 2 и 3 необходимо, так как основное отличие данных ВВ от ВВ класса 1 — пониженное содержание токсичных газов в продуктах взрыва.

Если же принять прежнее предельное значение 50 л/кг и предлагаемый метод испытания, то аммонит 6ЖВ и все существующие гранулированные ВВ следует перевести из класса 2 в класс 1. Полагаем, что предельная норма образования токсичных газов при взрыве ВВ класса 2 должна быть 80 л/кг.

Дополнительными классификационными испытаниями для ВВ подклассов 2.2 и 2.3 служит оценка их водоустойчивости, а для ВВ подкласса 2.3, кроме того, — оценка химической совместимости данного ВВ с сульфидсодержащими породами и рудами.

Для ВВ класса 3 основной способ проведения взрывных работ в угольных шахтах — короткозамедленное взрывание. Однако положенная в основу этого способа неодновременность взрывания шпуровых зарядов создает условия для торцевого и бокового обнажения шпуровых зарядов последующих ступеней замедления. Взрыв же обнаженного заряда ВВ, не обладающего необходимой степенью предохранительности, в контакте с находящейся в призабойном пространстве метанопылевоздушной смесью может вызвать ее воспламенение и взрыв.

В работе показано, что при короткозамедленном взрывании в угольных шахтах вероятность образования взрывоопасной среды в призабойном пространстве достаточно высока и обеспечить безопасность работ можно только в случае применения высокопредохранительных ВВ, которые при взрыве не воспламеняют взрывоопасные пылегазовые смеси даже при торцевом или боковом обнажении заряда.

При испытаниях в опытном штреке случай торцевого обнажения моделируют взрыванием зарядов, находящихся в канале мортиры без забойки, а случай бокового обнажения с поверхности — взрыванием зарядов в угловой мортире. Боковое обнажение шпурового заряда более опасно, чем торцевое. Так, по данным МакНИИ, масса предельного (невоспламеняющего) заряда аммонита ПЖВ-20 составляет 230 г при взрывании в канале мортиры без забойки и всего около 10 г при взрывании в уголковой мортире.

Существуют два подхода к обеспечению безопасности взрывных работ. При первом создают ВВ, которое будет безопасным при взрывных работах в самых опасных условиях, т.е. при боковом обнажении заряда на всю длину, и его применяют при короткозамедленном взрывании во всех условиях. Такой подход был реализован в Германии, где короткозамедленное взрывание в угольных забоях, опасных по взрывам газа, можно проводить только при использовании ВВ III класса. Из всех известных эти ВВ обладают самой высокой степенью предохранительности. Они не воспламеняют метановоздушные смеси при взрывании зарядов длиной 2 м (2 кг) в уголковой мортире с отражательной стенкой, расположенной на расстоянии 15 см, работоспособность их в свинцовой бомбе около 100 см3.

Второй подход заключается в том, что создают два типа высокопредохранительных ВВ: первый для взрывных работ в забоях с одной плоскостью обнажения, второй — в забоях с двумя плоскостями обнажения. Такой подход был реализован в Великобритании.

В Бельгии и Франции не создавали предохранительных ВВ для различных условий применения, но разработали ВВ повышенной степени предохранительности и «сверхбезопасные» (Бельгия), угольные и угольные повышенной предохранительности (Франция). Работоспособность этих ВВ находилась в пределах 93–130 см3. Реализованный в Великобритании подход к обеспечению безопасности взрывных работ позволил увеличить работоспособность ВВ класса П5 до 145 см3. Поэтому в предлагаемой нами классификации высокопредохранительные ВВ также разделены на два подкласса 3.2 и 3.3 в зависимости от конкретных условий их применения.

В случае классификационного испытания ВВ подкласса 3.2 заряды взрывают в канале мортиры без забойки. Однако этот метод в том виде, в котором он в настоящее время используется в нашей стране, не моделирует полностью опасные условия, которые могут возникать при ВР в шахтах.

При действующем методе испытаний, результаты которого служат основанием для допуска того или иного ВВ к применению в угольных шахтах, плотность его заряжания (отношение площади поперечного сечения заряда диаметром 36 мм к площади поперечного сечения канала мортиры диаметром 55 мм) должна быть равной 0,428. А начальная плотность заряжания при реальных работах в угольных шахтах составляет около 0,7. Кроме того, при групповом короткозамедленном взрывании под суммарным воздействием ударной волны (продуктов откола) и деформации угольного массива радиальный зазор между стенкой шпура и зарядом ВВ в шпуровых зарядах последующих ступеней замедления исчезает. Диаметр шпура становится равным диаметру заряда, а плотность заряжания — единице.

Влияние плотности заряжания на вероятность воспламенения метановоздушной смеси наглядно иллюстрируется результатами опытов, проведенных сотрудниками МакНИИ. При взрывании зарядов угленита Э-6 массой 1 кг в канале мортиры без забойки и при обратном инициировании, частость вспышек метановоздушной смеси составила от 1 до 2 %, при плотности заряжания 0,43, и 40 %, при плотности заряжания 0,61. В связи с этим необходимо разработать метод оценки степени предохранительности ВВ подкласса 3.2 при заряжании канала мортиры на полное сечение.

По мнению авторов, подходящий метод испытания — взрывание при обратном инициировании патрона ВВ, помещенного без забойки в канал небольшой мортирки. При диаметре патрона 36 мм и диаметре канала 38 мм плотность заряжания составит 0,9. Каждая мортирка используется для проведения в основном одного опыта.

Однако при короткозамедленном взрывании в забоях с одной плоскостью обнажения возможно и частичное обнажение шпуровых зарядов с боковой поверхности. Поэтому в Технических требованиях к патронированным ВВ V и VI классов с повышенной устойчивостью против выгорания и методиках их испытаний, утвержденных в 1983 г., предусмотрено и испытание ВВ в уголковой мортире. При этом «наименьший заряд, при котором не допускается воспламенения метановоздушной смеси, должен быть 100 г» (в перспективе 300 г).

Квалификационным испытанием для ВВ подкласса 3.3 является взрывание зарядов ВВ в уголковой мортире с отражательной стенкой на расстоянии 0,6 м. Масса заряда, при которой не допускается воспламенений, должна быть не менее 1,4 кг. Метод испытаний подробно изложен в упомянутых выше технических требованиях.