Рисунок 5.11 - Схема образования и измерения электростатических разрядов при транспортировании россыпных ВВ по диэлектрическим шлангам
Полученные осциллограммы искровых разрядов с проводящих элементов наэлектризованных поверхностей показывают, что эти разряды происходят с интервалом 0,12…0,3 с. Указанная частота разрядов получена с емкости порядка 100 пФ, заряженной относительно земли до 10 кВ, при транспортировании аммиачной селитры с влажностью 0,1 % по диэлектрическому полиэтиленовому шлангу. Величина энергии, накопленной на различных металлических элементах шланга (хомутах, фланцах), с учётом их емкости приведена в таблице 5.10.
|
Таблица 5.10 - Электростатическая энергия на элементах шланга |
|||||||
|
Показатели |
Емкость С , 1Ч10-12 Ф |
||||||
|
50 |
100 |
150 |
300 |
400 |
500 |
||
|
Напряжение, В |
15000 |
9300 |
8100 |
5000 |
4300 |
3000 |
|
|
Энергия разряда, 1Ч10-5 Дж |
560 |
430 |
490 |
375 |
460 |
225 |
Электрическая емкость элементов шахтного оборудования не превышает 500 пФ. Это значение емкости принято рядом стран как максимально возможная величина емкости в шахтных условиях.
В пневмозаряжающих системах маловероятно, чтобы изолированные металлические поверхности, с которых возможен разряд на заземленные предметы, имели большую емкость. Поэтому для оценки опасности этого вида искровых разрядов при подсчете энергии за емкостной параметр была принята величина 500 пФ [29].
В таблице 5.10 включены максимальные значения потенциалов, при которых наблюдались электрические разряды с проводящих элементов различной емкости.
Для оценки электростатической безопасности необходимо знать чувствительность аммиачно-селитровых ВВ к искровому разряду, при котором они воспламеняются, исходя из условий безопасности
W 0 Ј KW мин , (5.13)
где W 0 - накопленная энергия при электризации, мДж;
К - коэффициент безопасности;
W мин - чувствительность ВВ к электрическому разряду, мДж.
В таблице 5.11 приведены данные, полученные в лаборатории Северокавказского горно-металлургического института, по минимальной энергии воспламенения аэровзвесей нижнего (НКП) и верхнего (ВКП) концентрационных пределов некоторых гранулированных ВВ при влажности до 1 %.
|
Таблица 5.11 - Минимальная энергия зажигания некоторых ВВ |
||||||||
|
Показатели |
Гранулиты |
Зерногранулит 79/12 |
Граммонал А-8 |
|||||
|
Дисперсность, 1Ч10-3 м |
- |
0,1 |
- |
0,16 |
0,05-0,063 |
0,25-0,4 |
||
|
НКП, мг/м3 |
142 |
139 |
129 |
134 |
1,49 |
5,83 |
||
|
ВКП, мг/м3 |
274 |
296 |
203 |
297 |
713 |
378 |
||
|
Энергия, мДж |
3,1 |
3,02 |
2,97 |
2,93 |
1,05 |
1,32 |
Наиболее эффективным средством, предупреждающим искрообразование, является заземление проводящих элементов пневмозаряжающего оборудования. Искровые разряды по внутренней поверхности полиэтиленовых шлангов происходили при пневмотранспортировании аммиачной селитры влажностью не более 0,2 %. Длина наблюдаемых искровых разрядов не превышала 0,1 м, а разность потенциалов составляла 1 кВ. После прокладки внутрь шланга электропроводящей жилы, электростатические разряды исчезали ввиду стекания зарядов на землю по токопроводящей жиле.
5.4.2 Влияние технологических факторов пневмозаряжания на процесс электризации
Наиболее полно проведено изучение электростатических явлений, сопровождающих пневмозаряжание россыпных ВВ в СКГМИ на экспериментальном стенде (рисунок 5.12), который состоит из заряжающего устройства 1, магистрали 2 в виде шланга длиной 60 м и диаметром от 32 до 50 мм, взрывной камеры 3 (конструкции МакНИИ), системы регистрирующих устройств (отметчик времени 4, гальванометры 5, фотодатчик 6, потенциалосъемник 7) и измерительной аппаратуры (электростатический вольтметр 8). В качестве заряжающих устройств использовались пневмозарядчики «Курама-5», «Вахш-4». Вся пневмосистема была тщательно изолирована и позволяла осуществлять движение потока ВВ по разомкнутому (свободный выброс в отдельный бункер) и замкнутому контурам. В процессе опытов изучалось влияние на процесс электризации материала шлангов и влажности воздуха, скорости движения смеси по шлангу, гранулометрического состава ВВ, радиуса закругления и длины магистрали.
Рисунок 5.12 - Схема экспериментального стенда для исследования электрических явлений в пневмозаряжающих системах (СКГМИ)
При определении влияния электрического сопротивления шлангов на процесс электризации использовались шланги из различных материалов с внутренним диаметром от 32 до 36 мм. Испытания на установке проводились с аммиачной селитрой влажностью от 0,30 до
0,45 % по замкнутому циклу при скорости потока от 18 до 20 м/с. Относительная влажность воздуха была в пределах 45_50 %. По результатам исследований можно сделать вывод, что электризуемость шлангов сильно зависит от электрического сопротивления (таблица 5.12).
Таблица 5.12 - Результаты исследования электризации шлангов из различных материалов
|
Материал шланга |
Электрическое сопротивление rV , ОмЧсм |
Максимальный потенциал электризации, В |
|
|
Полиэтилен низкого давления |
2,1Ч1010 |
8000 |
|
|
Полиэтилен высокого давления |
1,4Ч1010 |
7250 |
|
|
Полупроводящий полиэтилен |
2,7Ч106 |
100 |
|
|
Полихлорвинил (ПХВ) |
2,9Ч1011 |
11500 |
|
|
Резина |
1,6Ч108 |
2100 |
Необходимо отметить, что при сопротивлении rV = 2,7Ч104 ОмЧм полупроводящего материала на нем все же отмечен незначительный потенциал электризации (U =100 В), при этом скорость стекания электростатических зарядов соизмерима со скоростью накопления их при движении пневмопотока ВВ со скоростью от 18 до 20 м/с. При проведении аналогичных полигонных испытаний на Никитовском руднике [44] с электропроводящим шлангом из полиэтилена П2ЭС Олайнинского завода при механизированном заряжании скважин зерногранулитом 79/21 у шлангов, имеющих сопротивление rVЈ104 ОмЧм, и в скважинах электризации обнаружено не было (таблица 5.13).
|
Таблица 5.13 - Результаты испытаний на электризацию электропроводящих шлангов |
|||||
|
Объёмное сопротивление шлангов П2ЭС-8, ОмЧм |
Общая длина шлангов, м |
Измеряемое расстояние точки замера от зарядной машины, м |
Количество ВВ, заряжаемое в смену, кг |
Потенциал электризации, В |
|
|
1,6Ч103 |
100 |
10; 50; 95 |
2500 |
0 |
|
|
1,2Ч103 |
100 |
10; 50; 95 |
2500 |
0 |
|
|
3Ч102 |
100 |
10; 50; 95 |
1800 |
0 |
|
|
4Ч102 |
100 |
10; 50; 95 |
2200 |
0 |
При увеличении относительной влажности воздуха электризация при транспортировании аммиачной селитры с размером кристаллов от 0,1 до 0,3 мм по резиновым и полиэтиленовым шлангам резко снижается (таблица 5.14). Следовательно, высокая влажность воздуха, характерная для шахтных условий, будет снижать электризацию ВВ и повышать электростатическую безопасность.
|
Материал шланга |
Транспортируемое ВВ |
Величина потенциала (кВ) при скорости транспортирования, м/с |
|||||
|
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
|||
|
Полиэтилен |
Аммиачная селитра |
2,7 |
5,3 |
7,6 |
8,8 |
9,4 |
|
|
Гранулит АС-8 |
2,2 |
4,5 |
6,4 |
7,3 |
8,0 |
||
|
Игданит |
0,6 |
1,3 |
2,0 |
2,6 |
2,8 |
||
|
Резина |
Аммиачная селитра |
1,1 |
2,0 |
3,0 |
4,2 |
4,7 |
|
|
Гранулит АС-8 |
0,9 |
1,5 |
2,4 |
3,1 |
3,5 |
||
|
Игданит |
1,2 |
2,7 |
3,6 |
4,7 |
5,5 |
|
Таблица 5.14 - Результаты испытаний шлангов на электризацию в зависимости от влажности воздуха |
|||||||||
|
Заданные параметры |
Материал шланга |
||||||||
|
полиэтилен |
резина |
||||||||
|
Относительная влажность воздуха, % |
50 |
60 |
70 |
80 |
50 |
60 |
70 |
80 |
|
|
Максимальный потенциал, кВ |
9,5 |
8,2 |
6,0 |
0,1 |
4,5 |
2,3 |
1,1 |
0,3 |
Влияние скорости транспортирования на электризацию изучалось с использованием аммиачной селитры, гранулита АС-8 и игданита, которые транспортировались по полиэтиленовому и резиновому шлангам диаметром 36 мм при относительной влажности воздуха от 45 до 50 %, влажности ВВ от 0,3 до 0,5 % (таблица 5.15). Концентрация ВВ в шланге находилась в пределах 8…10 кг на 1 м3 воздуха. Из данных таблицы 5.15 видно, что происходит интенсивный рост электризации в интервале скоростей от 5 до 25 м/с. Хотя в некоторых работах [44] отмечается, что максимальная электризация ВВ наблюдается при предельной скорости от 50 до 55 м/с, а при скорости транспортирования от 1 до 2 м/с электризация практически прекращается.
Полученные результаты согласуются с выражением константы генерирования ж, по величине которой проводят количественное сравнение электризуемости трубопроводов [29]:
ж= (5.14)
где ж - коэффициент генерирования, характеризующий (применительно к условиям пневмотранспорта) электроконтактные свойства взаимодействующей пары материалов, мкКлЧс0,8 /м3,8 ;
J - ток электризации, мкА;
m - массовая концентрация транспортируемого материала в потоке, кг/кг;
n - средняя по сечению скорость транспортирующего воздуха, м/с;
D и L - диаметр проходного сечения и длина трубы, м.
Влияние гранулометрического состава транспортируемого ВВ на степень электризации показано зависимостями электростатического потенциала от гранулометрического состава транспортируемого вещества различных фракций (рисунок 5.13): 0-0,25; 0,5-0,75; 1,0-1,25;
1,25-1,5 мм. Данные приведены при относительной влажности воздуха 50 %, концентрации потока 5 кг/м3 и скорости транспортирования 20 м/с.
Зависимость изменения потенциала электризации от гранулометрического состава ВВ показывает, что мелкие частицы создают более высокие потенциалы электризации. Наиболее интенсивное снижение потенциала происходит при увеличении диаметра гранул транспортируемого ВВ в диапазоне от 0,125 до 0,500 мм. Полученные результаты соответствуют классическому закону Гаусса при моделировании электризации частиц у стенки при соударении [48]:
, (5.15) где U - потенциал частицы, В;
hC - расстояние между частицей и стенкой материала, мм;
Q - заряд частицы, Кл;
R - радиус частицы, мм.
Из формулы (5.15) следует, что потенциал электризации частицы и, следовательно, суммарный потенциал потока частиц увеличивается с уменьшением радиуса частиц R , в действительности данная зависимость гораздо сложнее, т.к. на электризацию частиц оказывают влияние гидродинамические, физические и другие факторы.
Кроме описанных выше факторов, влияющих на электризацию при транспортировании ВВ, необходимо отметить влияние кривизны трубопроводов. На рисунке 5.14 показана зависимость потенциала электризации от радиуса закругления магистрали из диэлектрического полиэтиленового шланга при транспортировании аммиачной селитры, гранулита АС-8 и игданита. Радиус закругления транспортирующего шланга изменялся от 0,25 до 3 м при скорости транспортирования
20 м/с по замкнутому циклу. Из полученных зависимостей следует, что прокладку транспортирующего шланга при пневмозаряжании следует делать так, чтобы радиусы закруглений рабочей магистрали были не менее 0,5 м. Участки закруглений необходимо изготавливать из электропроводящих материалов и заземлять.