При проходке подземных горных выработок, опасных по газовому фактору, наиболее эффективным, как известно, является буровзрывной способ, основанный на бурении шпуров, закладке зарядов с взрывчатым веществом ВВ и инициировании взрывов в горном массиве. При этом нередко происходят ЧС, связанные с возгораниями угольной пыли, с взрывами метановоздушной смеси, распространяющиеся по разветвленной сети шахтных выработок. Эти ЧС зачастую ведут к травмам и гибели людей. Кроме того, периодически повторяющиеся сейсмические волновые воздействия оказывают отрицательное влияние на горнорабочих. И среди таких воздействий наибольшую опасность представляет собой ударная воздушная волна, УВВ, которую определяют как некоторый скачок уплотнения воздуха, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причем в каждый момент времени сжатым оказывается лишь вполне определенный объем воздуха. Поверхность, отделяющая сжатый воздух от невозмущенного, представляет собой фронт ударной волны, который перемещается за счет первоначально полученной кинетической энергии. И чем больше давление на фронте УВВ, тем больше ее скорость. При своем движении УВВ постепенно теряет часть полученной энергии из-за необратимых потерь на нагрев воздуха, через который она движется, а также за счет увеличения объема воздуха, вовлекаемого ею в движение. По мере удаления УВВ от места ее возникновения давление на ее фронте падает и на расстоянии примерно 100 радиусов Ro от центра взрыва скорость УВВ приближается к звуковой.
Основными параметрами, характеризующими действие УВВ, являются, как известно:
- избыточное максимальное давление на ее фронте, DP;
- удельный импульс фазы сжатия, Sx:
- время действия положительной фазы, t;
- скорость движения фронта УВВ, Dу;
- температура на фронте УВВ, Тф.
Согласно современным представлениям эти параметры определяются на основании следующих соотношений [1]:
или
(1)
где
(2)
а скорость движения сжатого воздуха и его температура
(3)
где Р0, r0, С0 - соответственно давление, плотность и скорость звука в невозмущенном воздухе; n - показатель адиабаты.
Необходимо отметить, что в реальных условиях горных выработок интенсивность УВВ зависит от большого числа факторов, к числу которых следует отнести тип ВВ, конструкцию и вид заряда, параметры и способы инициирования взрыва, свойства взрываемых пород, наличие на пути УВВ поворотов, сопряжений, расширений, сужений и других местных сопротивлений. Поэтому при прогнозировании избыточного давления на фронте УВВ при взрывах в подземных условиях обычно пользуются следующим соотношением:
(4)
где Q - масса заряда ВВ; ΣS -суммарная площадь поперечного сечения выработки, примыкающей к заряду; my - коэффициент, учитывающий переход энергии ВВ на УВВ; b - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности; dв - условный диаметр выработки.
Как известно, взрывы одиночных зарядов в горном деле в настоящее время применяются редко. Чаще используют взрывание нескольких зарядов, в частности, способ короткозамедленного взрывания, при котором взрывание зарядов выполняется последовательно с интервалом в тысячные доли секунды. При этом происходит взаимодействие зарядов с интерференцией волн напряжений от соседних зарядов, с соударением разлетающихся кусков горной массы и их дроблением, образованием дополнительных открытых поверхностей.
Естественно, при использовании всех известных способов взрывания необходимо, прежде всего, обеспечивать безопасность горнорабочих. И потому снижение сейсмического воздействия взрывов является, безусловно, одной из приоритетных задач безопасности ведения проходческих работ. В этом направлении определенные положительные результаты дает применение замедленного взрывания (когда время замедления более 1 с), короткозамедленное взрывание (время замедления - тысячные доли сек.). Для уменьшения сейсмического воздействия используют также экраны из разрушенных пород, защитные щели, опоясывающие взрываемый массив на глубину, превышающую глубину фундаментов зданий в 1,2-1,5 раза, что позволяет снизить сейсмические эффекты в 3-4 раза.
В работах профессора В.К. Мусаева [2-6] защитные свойства щелей и полостей различных форм и сечений научно обоснованы и даны результаты их численного моделирования. Использование этих результатов позволяет с большой точностью установить места пребывания работников с наименьшими сейсмическими воздействиями при взрывных работах, а также обеспечить эффективную защиту уникальных наземных сооружений при взрывных воздействиях.
Анализ эффективности известных способов обеспечения безопасности ведения проходческих работ буровзрывным способом показал, что величины интенсивностей УВВ все еще остаются неоправданно высокими и необходимо находить новые методы и способы их снижения. В качестве одного из возможных вариантов решения этой задачи нами предлагается несложное устройство типа «подпружиненные двери» 1 с электромагнитными защелками 2, и водяная завеса 3, управляемые системой автоматики 4, работающей по сигналам датчиков взрыва (рис. 1).
Подпружиненные двери, открываемые под воздействием УВВ, и следующие за ними водяные завесы располагают на оптимальных расстояниях Lопт, определенных нами по результатам экспериментальных исследований такими эмпирическими формулами:
(5)
(6)
Рис. 1. Подпружиненные двери с водяной завесой, управляемые системой автоматики:
1 - подпружиненные двери, открываемые под воздействием УВВ;
2 - электромагнитные защелки, закрепленные на стенках выработки; 3 - водяная завеса;
4 - система автоматического управления; 5 - грудь забоя; 6 - заряды ВВ
По формуле (6) можно производить выбор наиболее безопасных зон для укрытия работников, умножив полученный результат на коэффициент 2,48.
Вместо водяных завес можно использовать, применяемые в зарубежной практике, мешки с водой, размещенные на вращающейся перекладине, опрокидываемые под воздействием УВВ, (рис. 2).
Рис. 2. Мешки с водой, подвешенные на вращающейся перекладине, опрокидываемые под воздействием УВВ и снижающие ее интенсивность
Рецензенты:
Коханенко В.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Технология и прикладная механика» Донского государственного аграрного университета, г. Новочеркасск;
Глебов Н.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Автоматика и мехатроника» Южно-Российского государственного технического университета, г. Новочеркасск.
Работа поступила в редакцию 28.07.2011.