РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ОТ ВЗРЫВОВ ВВ
Газовые выбросы от промышленных взрывов представляют собой смесь пыли, окислов углерода и азота, из которых диоксид азота имеет бурый цвет и совместно с пылью обуславливает цветность ГВ. Они бывают оптически однородные (состоящие только из газов) и неоднородные (содержащие газы и пыль) и в процессе своего существования излучают электромагнитные волны [54]. Используя электромагнитные волны принципиально возможно определять параметры ГВ [55].
Электромагнитные волны охватывают длины волн от 104 до 10-14 м. При этом волны длиной 104...10-1 м относятся к радиоволнам различных диапазонов, 10-4...10-6 м - инфракрасным волнам, 8?10-7...4?10-7 м - видимым волнам, 10-7...10-8 м - ультрафиолетовым волнам и 10-8...10-9 м - рентгеновским волнам [57]. Улавливание всех выше названных волн, кроме видимых, требует специальных источников усиления излучения, а также сложного и дорогостоящего оборудования. Поэтому исследования ГВ в видимом свете представляет наибольший интерес, так как не требует использования источников усиления излучения и упрощает требования к средствам фиксации ГВ.
Видимый свет как носитель информации содержит два вида информации - о яркости и о цветности. При этом общее число всех световых волн в газовом выбросе эквивалентно энергии света от него и обуславливает его интенсивность и яркость, а пропорции различных световых волн - цветность ГВ [58].
Исходя из выше сказанного, исследовать параметры газовых выбросов промышленных взрывов в карьере целесообразно в видимом диапазоне длин волн.
2.1. Исследование процесса образования и распространения газовых выбросов от промышленных взрывов
Процесс образования и распространения газовых выбросов промышленных взрывов вне зависимости от типа ВВ и метода взрывания породы является динамическим. В виду того, что исследовать ГВ от взрывов ВВ возможно в видимом спектре, для понимания процессов, происходящих в ГВ, необходимо проанализировать время их существования с начала истечения и до полного рассеяния.
Наблюдения и анализ ГВ от промышленных взрывов показал, что их развитие можно разделить на три этапа. Этапы развития ГВ промышленных взрывов различны по длительности. На первом этапе в первоначальный момент времени выбрасываемые ГВ занимают малый объем в карьере, нарастание их объема происходит достаточно быстро, причем увеличение составляет десятки раз по сравнению с первоначальным размером. Этот этап является наиболее коротким и длится, как правило, секунды. На втором этапе - ГВ перестают активно наращивать свои размеры, при этом их увеличение на этом этапе составляет проценты, а сам этап длится секунды и минуты. Объем ГВ на этом этапе существенен и начинает оказывать негативное влияние на атмосферу карьера. На третьем этапе существование ГВ характеризуется длительностью в десятки минут, при этом увеличение их объема может достигать нескольких раз. На этом этапе ГВ оказывают наибольшее влияние на загазованность атмосферы карьера, поскольку под действием ветра, как правило, проходят по уступам борта карьера, загрязняя рабочие места.
Учитывая выше сказанное, проведены пробные фиксации ГВ на пленку. При этом их анализ показал, что все перечисленные выше этапы существования ГВ отличаются по физическим параметрам и составу, но одинаковы для всех способов взрывания ВВ. Типовые кадры этих этапов представлены на рис. 2.1.
Наблюдения ГВ промышленных взрывов показали, что в начальный момент времени после взрыва в атмосферу карьера под большим давлением
выбрасываются сжатые газы, куски породы и пыль. При этом химические реакции проходят между продуктами детонации ВВ, а также с воздухом окружающей среды. Давление и температура ГВ в эти моменты близки к давлению и температуре продуктов детонации ВВ в скважине, что, например, для аммонита 6-ЖВ составляет Р = 24340 кг/см2, Т = 2877 ?К [59].
Развитие газовых выбросов на первом этапе характеризуется турбулентной конвекцией, математическое описание которой обычно производится с помощью уравнений Эйлера, широко описанных в работах [60 - 62]. При описании процессов турбулентной конвекции газовых выбросов выделяют средние значения их концентраций в изотропном пространстве с координатами {} в момент времени t и пульсационные составляющие , связанные с турбулентным скоростным полем [63]. С помощью операции осреднения по Рейнольдсу уравнение турбулентной конвенции для осредненных значений концентраций ГВ [64, 65], мигрирующей вместе со сносящим турбулентным потоком, описывается следующим образом:
где , , - компоненты осредненной скорости;
штрих - обозначает пульсационную составляющую;
черта сверху - осреднение;
- коэффициент молекулярной конвекции, зависящий в общем случае от концентрации и температуры .
Анализ кинограммы ГВ от взрывов ВВ показал, что турбулентная конвекция характерна для первого этапа, представленного на рис. 2.2, и обуславливает сильное изменение яркости и параметров цвета на соседних участках ГВ. Это объясняется тем, что, согласно [4], между продуктами детонации ВВ, а также воздухом окружающей среды происходят химические реакции, которые изменяют качественный состав ГВ. Из кинограммы видно,
что ГВ резко изменяются по геометрическим параметрам (длине, ширине, глубине и высоте), что связано с изменением их физического состояния (давления, температуры). ГВ на этом этапе являются неоднородными и сильно замутненными, причем цвет изменяет свои параметры. Основными компонентами, определяющими цвет таких ГВ, являются пыль взрываемой породы и диоксид азота, характерный бурый цвет которого хорошо виден на рис. 2.2. Изменение цвета ГВ происходит как за счет интенсивного опадания кусков породы и пыли, так и за счет прохождения химических реакций. При этом ГВ являются локальным очагом загрязнения атмосферы карьера, поскольку имеют малые размеры.
Таким образом, первый этап характеризуется неустойчивостью физических и химических параметров ГВ, сильным оп