Обзор выставки Mining World Russia 2024. Читайте здесь
Узнать больше Свернуть
Развернуть

Узнайте о новейших разработках и трендах горнодобывающей отрасли на MiningWorld Russia 2024! Наш спецпроект: обзоры стендов, интервью с экспертами, фотоотчёты и репортажи. Не пропустите уникальные материалы на dprom.online! Читайте и оставайтесь в курсе самых актуальных событий.

ООО «ПромоГрупп Медиа», ИНН 2462214762
Erid: F7NfYUJCUneLsWZcuQG6

Подробнее Свернуть
ГЛАВНОЕ МЕНЮ
Нашли ошибку? Выделите ее мышкой
и нажмите Ctrl + Enter

Взрывобезопасность в шахтах: пьезоэффект разрушающейся анкерной системы

20.09.2023

Посвящается 90-летию Натальи Артёмовны Кулик, старшего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук, преподавателя минералогии и онтогении минералов Новосибирского государственного университета, а также всем нашим наставникам, учившим нас думать.

В работе даются описание и анализ наблюдаемого явления — возникновения электрического заряда, образующегося при разрушении анкерной системы. Показано, что основной причиной пьезоэффекта является механическое воздействие на кварцевый инертный наполнитель.

Сделана предварительная оценка вероятности искрового инициирования воспламенения метановоздушной смеси. Представлены инструменты исследования, результаты наблюдений и модель механизма явления. Сформулированы основные направления дальнейшего изучения явления.

При работах по измерению параметров сталеполимерной крепи на стенде «Искусственная скважина» нами было обнаружено появление электрического импульса между анкером и трубой искусственной скважины при механических нагрузках на систему. Явление ранее не описывалось, а его потенциальное значение могло оказаться существенным для безопасности проведения горных подземных работ.

Для исследования явления был создан стенд 1 : 10.
В качестве скважины использовалась водопроводная труба 1/2 дюйма длиной 20 см.
В качестве анкера применили кусок строительной арматуры длиной 30 см и диаметром 10 мм.
В трубу был помещён фрагмент полиэфирной ампулы длиной около 10 см.
В качестве индикатора был использован осциллограф С1-79 с такими установками, как чувствительность по входу Y — 0,1 V/дел, развёртка — 0,2 мс/дел, синхронизация ждущая (рис. 1).

Пьезоэффект разрушающейся анкерной системы как потенциальная опасность для шахтной атмосферы
Рис. 1. Подготовленные к измерениям образцы

Был использован щуп осциллографа, состоящий из кабеля РК-50-2-11 длиной 1 м, что вместе со входной ёмкостью осциллографа (25 пФ) составляет около 150 пФ.
Входное сопротивление осциллографа — 1 мОм. Центральная жила щупа была присоединена к анкеру, оплётка — к трубе.

По анкеру совершались продольные удары молотком весом 400 г. Молоток при этом имел скорость 0,2–0,3 м/с. При постукивании плавно регулировался уровень синхронизации осциллографа до получения его устойчивого срабатывания, при этом на экране регулярно наблюдались всплески амплитудой около 0,2 V и длительностью (до спада примерно в 4–6 раз) около 1 мс. На импульсе наблюдались и более высокочастотные колебания (с периодом порядка 0,1 мс).

Для исключения влияния электрического контакта металлической части молотка были также сделаны удары предметом из изоляционного материала той же массы по анкеру. При таком типе ударной нагрузки ВЧ-колебания практически отсутствовали. Наличие же импульса при ударе диэлектрическим предметом говорит о том, что причина возникновения электричества не контакт с внешним проводящим телом, а механическое воздействие на систему «анкер — искусственная скважина» (рис. 2).

Рис 2.  Схема установки. 1 – искусственная скважина, 2 – полимербетонная втулка, 3 – анкер, 4 – подвес ударника, 5 – угол отклонения ударника, задающий энергию удара, 6 – ударник, 7 – регистратор.
Рис. 2. Схема установки: 1 — искусственная скважина, 2 — полимербетонная втулка, 3 — анкер, 4 — подвес ударника, 5 — угол отклонения ударника, задающий энергию удара, 6 — ударник, 7 — регистратор

Эксперимент проводился с полиэфирными ампулами АКЦ производства «Карбо-ЦАКК» и АДП-М производства ООО «ОКС». Обе ампулы показали наличие электрического импульса примерно одинаковой амплитуды.

Качественно явление наблюдалось стабильно, но стенд плохо подходил для измерений, поэтому был создан другой стенд, состоящий из массивного параллелограммного маятника, тисков, осциллографа Instek GDS-840C (рис. 3). Энергия удара определялась углом отклонения маятникового ударника и его массой.

Рис 3. Осциллограф и импульс на его экране.
Рис. 3. Осциллограф и импульс на его экране

Шпур, полимербетонную втулку и анкер хорошо описывает модель цилиндрического (коаксиального) конденсатора с ёмкостью:

где С — ёмкость;

l — длина;
b — внутренний диаметр цилиндра;

— диаметр центрального стержня;

E — диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

E0 — диэлектрическая постоянная.

Для наших размеров ёмкость составляет около 10–15 пФ, входная ёмкость применённого измерительного прибора — около 150 пФ, поэтому можно считать, что импульс напряжения между анкером и стенкой шпура будет на порядок больше, поскольку напряжение, ёмкость и заряд связаны соотношением:

Q = CU,

где Q — заряд;

C — ёмкость;

U — напряжение.

Заряд за короткое время измениться не успевает, а ёмкость определяется только ёмкостью шпура — 15 пФ.

Энергия ударника рассчитывается по формуле:

E = MV2 : 2,

где М — масса;

V — скорость.

Получается около 50 МДж. Это 0,2 вольта на ёмкости 150 пФ, что по формуле:

E = CU2 : 2,

где С — ёмкость;

U — напряжение

— даёт энергию 3 × 10-12 джоулей.

КПД преобразования механической энергии в электрическую составляет 0,00000001% (10-9).

Ранее нами проводились испытания стандартных штанговых анкеров А20В на растяжение, благодаря которым видно, что анкер диаметром 20 мм при длине 200 мм растягивается примерно на 20 мм, при этом растягивающая сила, приложенная к анкеру, составляла 23 т (предел нашей установки). Зона пластической деформации при этом не достигалась. Из этого можно по закону Гука:

x = F : k,

где F — сила;

k — коэффициент упругости;

x — удлинение

— вычислить коэффициент упругости анкерной арматуры — примерно 107 Н·м при длине 200 мм.

Предполагая, что из двух метров длины анкера один метр закреплён в породе, а растягивается второй, получаем упругость 2 × 106 Н·м. Растяжение анкера при нагрузке 23 т будет 100 мм, что соответствует данным о конструктивной податливости анкеров 40–70 мм по п. 5.13.14 ГОСТ 31559-2012 [5].  Энергию, запасённую в этой пружине, можно вычислить по формуле:

E = kX2 : 2,

где Е — энергия;

k — коэффициент упругости;

х — удлинение.

Получаемая в результате вычислений энергия составляет 10 тыс. Дж. Надо помнить, что усилие разрыва анкера может быть значительно выше достижимых на нашей установке 23 т.

Считая, что процесс масштабируемый, мы можем считать, что для энергии разрыва анкера (104 Дж) КПД тот же, что и для воздействия ударником (50 МДж), т. е. электрическая энергия, образующаяся при разрыве анкера, будет составлять порядка 0,00001 Дж (10-5 Дж).

Согласно [1], минимальная энергия зажигания метановоздушных смесей имеет величину порядка 10-3 Дж.

Нами были опробованы ампулы Fasloc, «Карбо-ЦАКК», «ОКС» и химические анкеры для крепления банкоматов производства Hilti. Наиболее выраженный эффект показали ампулы Fasloс Inc. [2].

Рис.4 Образец перед экспериментом.
Рис. 4. Образец перед экспериментом

Следует отметить вариативный характер электрического импульса, генерируемый при одинаковых механических нагрузках. В широких пределах могут изменяться полярность, длительность, амплитуда, градиент роста напряжения и т. п. Но эффект наблюдался регулярно, поэтому дальнейшие работы были направлены на выявление вклада в изучаемый эффект различных компонентов.

Содержимое полиэфирных ампул было промыто от полиэфирной смолы смесью растворителей, в остатке оказались фрагменты плёнки и песок. У разных производителей песок был разных фракций, но во всех случаях он более чем наполовину состоял из зёрен кварца, что было видно благодаря наблюдениям под микроскопом и замерам твёрдости.

Для примера был взят песок от ЗАО «Ильменит». Он был замешен на смоле фирмы «Поли-СМ», залит в искусственные скважины и испытан на стенде (рис. 4 и 5).

Наибольший эффект электрогенерации дал кварцевый песок. Это было ожидаемо. Были даже найдены публикации на эту тему [3].

На основании проведённых опытов мы можем с уверенностью говорить, что источником электричества в разрушающейся анкерной системе является пьезоэффект в кварцевом инертном наполнителе.

Проведённые испытания показали, что явление электрогенерации происходит в момент механического нагружения или разгрузки анкера от внешних усилий и зависит:

  • от электрической изоляции тела анкера от стенки искусственной скважины, где полиэфирная смола выступает в качестве электроизолятора;
  • концентрации кварца в песке ампулы;
  • размера зёрен кварца в песке ампулы;
  • характеристик удара (таких как скорость, сила, количество ударов, направление сил);
  • влажности воздуха, материалов и оборудования.

Потенциальная опасность данного явления может быть более полно оценена, если рассмотреть местоположение источника пьезоэлектрогенерации — на кровле выработки. Так как метан имеет плотность ниже воздуха, то его скопление под сводом выработки наиболее вероятно. В этом случае применение практики неполного заполнения шпура чрезвычайно опасно, так как получаемый шпуровой карман (поз. 5 рис. 5) устойчив к проветриванию и формирует газовую ловушку, где концентрация метана может значительно превышать его концентрацию в проветриваемой части выработки.

Рис.5 Схема анкера в породе. 1 – порода, 2 - прижимная опорная пластина, 3 –гайка, 4 - хвостовик анкера, 5 - шпуровой воздушный карман, 6 – шпур, 7 - фрикционная бетонная муфта, цементирующая анкер в шпуре, 8 - местоположение искрового пробоя в наэлектризованном материале системы: «анкер-порода» на момент нарушения сплошности анкерной штанги.
Рис. 5. Схема анкера в породе: 1 — порода, 2 — прижимная опорная пластина, 3 — гайка, 4 — хвостовик анкера, 5 — шпуровой воздушный карман, 6 — шпур, 7 — фрикционная бетонная муфта, цементирующая анкер в шпуре, 8 — местоположение искрового пробоя в наэлектризованном материале системы «анкер — порода» на момент нарушения сплошности анкерной штанги

Динамика возникновения искры

При медленном (секунда и дольше) нагружении анкера образующиеся заряды успевают стечь через сопротивление полимербетонной втулки и окружающих предметов и сред. При обрыве анкера по его телу со скоростью звука (5000 м/с, 10-3 — 10-5 с) распространяется волна, поляризующая материал полимербетонной втулки и заряжающая образованный породой и двумя частями анкера конденсатор. При достаточной энергетике процесса может быть достигнуто напряжение пробоя получившегося газового промежутка.

Выводы

Установлено, что в момент удара (разрыва) по анкеру может произойти электрический разряд, потенциально способный поджечь метановоздушную смесь и вызвать пожар или взрыв.

Эффект имеет весьма широкие статистические пределы, поэтому заявлять, что выделяемая электрическая энергия не превысит 10-5 Дж, нельзя, зато вполне можно предположить, что часть событий эту величину будет превосходить. Насколько высока такая вероятность, вопрос дальнейших исследований.

Степень опасности явления зависит от массы условий: загазованности, неполного заполнения шпуров, влажности, количества анкеров и прочих, поэтому делать окончательные выводы мы не можем, а должны предоставить это специалистам по шахтной безопасности.


Текст: А. И. Киприянов, директор ООО «Геостронг», г. Новосибирск, e-mail: akipriyanov@ngs.ru;
Е. В. Горбунов, главный инженер ООО «Геостронг», г. Новосибирск.


Литература:

  1. Полное подавление детонации и горения метановых смесей пылевой завесой / А.А. Васильев, А.В. Пинаев, А.В. Троцюк, П.А. Фомин, А.А. Трубицын, Д.А. Трубицына // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. — 2015. — № 4.
  2. Сталеполимерные анкеры DSI FASLOC®. URL: https://www.dsiunderground.com/fileadmin/downloads/dsi-schaumchemie-fasloc.pdf (дата обращения: 10.04.2023).
  3. Плонский А.Ф. Пьезоэлектричество // Научно-популярная библиотека. — Вып. 60. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. — Гл. 6. — Абз. 15.
  4. Симанович И.С. Кварц песчаных пород. — М.: Наука, 1978. — Гл. 3, 6.
  5. ГОСТ 31559-2012 «Крепи анкерные».

The paper provides a description and analysis of the observed phenomenon – the appearance of an electric charge that occurs during the destruction of the anchor system. It is shown that the cause of the piezoelectric effect is the mechanical effect on the quartz inert filler.

The probability of spark initiation of ignition of a methane-air mixture has been estimated. A model of the mechanism of the phenomenon, study tools and observation results are presented. The main directions for further studies of the phenomenon are formulated.


Поделиться:
Еще по теме

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

Спецпроекты
Уголь России и Майнинг 2024
«Уголь России и Майнинг 2024». Обзор выставки
Одна из крупнейших отраслевых выставок «Уголь России и Майнинг 2024» состоится 4-7 июня в...
Mining World Russia 2024
23–25 апреля в Москве пройдёт одно из главных отраслевых событий — MiningWorld Russia. В этом году выставка выросла вдвое, а это значит, что...
Рудник. Урал 2023 | Обзор выставки
Главные события выставки «Рудник. Урал — 2023» в рамках спецпроекта dprom.online. Представляем «живые» материалы об участниках и о новых решениях:...
В помощь шахтёру | Путеводитель по технике и технологиям 2023
Путеводитель для шахтёра: актуальные решения для добывающих и перерабатывающих предприятий в одном месте. Рассказываем про современные технологии в...
Уголь России и Майнинг 2023 | Обзор выставки
«Уголь России и Майнинг 2023» - международная выставка техники и оборудования для добычи и обогащения полезных ископаемых. Главный интернет-партнёр...
MiningWorld Russia 2023
25 апреля 2023 года в Москве стартует одна из главных выставок в добывающей отрасли – MiningWorld Russia.

Спецпроект «MWR-2023: Обзор выставки» –...

Уголь России и Майнинг 2022 | Обзор выставки
Проект «Уголь России и Майнинг – 2022» глазами dprom.online. Обзор XXX Международной специализированной выставки в Новокузнецке: обзоры техники,...
MiningWorld Russia 2022 | Обзор выставки
Обзор технических решений для добычи, обогащения и транспортировки полезных ископаемых, представленных на площадке МВЦ «Крокус Экспо» в Москве....
Рудник Урала | Обзор выставки
Главные события выставки «Рудник Урала» в рамках спецпроекта dprom.online. Полный обзор мероприятия: «живые» материалы об участниках и их решениях -...
В помощь шахтёру | Путеводитель по технике и технологиям
Путеводитель по технике и технологиям, которые делают работу предприятий эффективной и безопасной.
Уголь России и Майнинг 2021 | Обзор выставки
Спецпроект dprom.online, посвящённый международной выставке «Уголь России и Майнинг 2021» в Новокузнецке. Репортажи со стендов компаний-участников,...
Mining World Russia 2021 | Обзор выставки
Спецпроект MiningWorld Russia 2021: в прямом контакте. Читайте уникальные материалы с крупной отраслевой выставки международного уровня, прошедшей...
День Шахтёра 2020 | Взгляд изнутри
В последнее воскресенье августа свой праздник отмечают люди, занятые в горной добыче. В День шахтёра 2020 принимают поздравления профессионалы своего...
Уголь России и Майнинг 2019 | Обзор выставки
Спецпроект dprom.online: следите за выставкой в режиме реального времени.

Ежедневно: репортажи, фотоотчеты, обзоры стендов участников и релизы с...

COVID-2019 | Добывающая отрасль в режиме карантина
Спецпроект DPROM-НОНСТОП. Актуальные задачи и современные решения. Достижения и рекорды. Мнения и прогнозы. Работа отрасли в условиях новой...
Mining World Russia 2020 | Репортаж и обзор участников выставки
Международная выставка в Москве Mining World Russia 2020 – теперь в онлайн-режиме. Показываем весь ассортимент машин и оборудования для добычи,...
популярное на сайте
Обзор выставки Mining World Russia 2024. Анонсы участников, репортажи с места событий. Читайте по ссылке Свернуть

Подпишитесь
на ежемесячную рассылку
для специалистов отрасли

Спасибо!

Теперь редакторы в курсе.