Разработка рецептур эффективных и безопасных эмульсионных взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов на земной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО «НЦ ВостНИИ»

ГОУ ВПО «КузГТУ»

Разработка рецептур эффективных и безопасных эмульсионных взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов на земной поверхности

Ю.В. Варнаков канд. техн. наук,

П.И. Кушнеров д-р техн. наук,

Д.Н. Батраков научный сотрудник

К.А. Плешаков научный сотрудник

Аннотация

Рассматриваются принципы разработки эффективных и безопасных патронированных эмульсионных взрывчатых веществ I класса, предназначенных для ручного формирования скважинных зарядов на земной поверхности.

Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ГРАНУЛИРОВАННЫЕ ВВ, ВОДОСОДЕРЖАЩИЕ ВВ, ЭМУЛЬСИОННАЯ МАТРИЦА, ЭМУЛЬСИОННЫЕ ВВ, ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬ, РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

Annotation

Working out of effective and safe emulsive explosives formula in-tended for formation of borehole charges on ground surface

Yu.V. Varnakov, P.I. Kushnerov, D.N. Batrakov, K.A. Pleshakov, K.Yu. Varnakov

Principles of effective and safe cartridge emulsive I class explosives working out intended for manual formation of borehole charges on ground surface are considered.

Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EXPLOSIVES, BLAST WORKS, GRANULATED EXPLOSIVES, SLURRY EXPLOSIVES, EMULSIFYING MATRIX, EMULSION EXPLOSIVES, WATERRESISTANCE, WORKABILITY

Основная часть

Проблема оснащения открытых горнодобывающих предприятий водоустойчивыми взрывчатыми веществами (ВВ) I класса, предназначенными для формирования скважинных зарядов на земной поверхности и обладающими высокой работоспособностью в обводненных условиях применения, в том числе при наличии проточности грунтовых вод, а также другими высокими эксплуатационными показателями и показателями безопасности, остается до настоящего времени актуальной.

Несмотря на существование достаточно широкой номенклатуры водоустойчивых горячельющихся и водонаполненных ВВ, были разработаны и нашли широкое распространение в горнодобывающей промышленности более безопасные эмульсионные взрывчатые вещества.

Анализ составов эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) показывает, что в основном данные взрывчатые вещества представляют собой обратные эмульсии типа «вода в масле».

По концентрационному соотношению между диспергируемой фазой (водным раствором окислителя) и дисперсной средой (масляной или, иначе, топливной) все эмульсии можно условно разделить на разбавленные - с массовой долей раствора окислителя в составе эмульсии менее 1 %, концентрированные - до 74 % и высококонцентрированные - свыше 74 %. Эмульсии, используемые для изготовления смесевых ЭВВ, еще называют эмульсионными матрицами и относят их к высококонцентрированным эмульсиям с содержанием диспергируемой фазы от 80 до 95 %.

Внешний вид эмульсии (эмульсионной матрицы) под оптическим микроскопом представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Вид эмульсионной матрицы под оптическим микроскопом

В технологии приготовления эмульсионных ВВ за рубежом наибольшее распространение нашел статический метод гомогенизации, где диспергирование жидкости достигается пропусканием через малые отверстия статического смесителя (до 10^-8 м²) под высоким давлением, достигающим значения 3,5 · 10⁷ Н/м².

В отечественной практике для приготовления эмульсии взрывчатых веществ наиболее широко используется метод дробления динамического характера. эмульсионный взрывчатый скважинный заряд

Для приготовления эмульсии применяют перемешивающие устройства, имеющие достаточно высокую частоту вращения и обеспечивающие дробление диспергируемой фазы на мелкие капли, рассредоточивая их в дисперсной среде. При этом диаметр получаемых эмульсионных капель напрямую зависит от вязкости масляной (или топливной) среды, типа используемого эмульгатора (поверхностно-активного вещества) и частоты вращения перемешивающих устройств. Наиболее адаптированным к производству эмульсионных матриц, изготавливаемых на отечественной сырьевой базе, является аппарат эмульгирования (эмульсификатор) роторного типа, разработанный ФГУП «КНИИМ».

Размер частиц эмульсионной матрицы марки «эмуласт», изготовленной на роторном эмульсификаторе с применением эмульгатора марки РЭМ (ТУ 75 11903-631-93 [1]) и индустриального масла И-40А (ГОСТ 20799-88 [2]) при частоте вращения ротора 640 мин^-1 представлен на рисунке 2.

%

Рисунок 2 Распределение размеров капель в эмульсионной матрице марки «эмуласт» при частоте вращения ротора эмульсификатора 640 мин^-1

Чем меньше размер частиц (капель) эмульсионной матрицы, тем более равномерно распределены компоненты в объеме эмульсии, что, в свою очередь, влечет за собой наиболее полное протекание реакции взрывчатого превращения, а следовательно, наиболее полное выделение энергии взрыва и минимальное образование токсичных газов взрыва.

С увеличением частоты вращения ротора эмульсификатора до 2500 мин^-1 диаметр частиц эмульсионной матрицы уменьшается практически вдвое. Наблюдается увеличение образования капель малого размера и в процентном соотношении. Распределение размеров капель в эмульсионной матрице при частоте вращения ротора 2500 мин^-1 представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 Распределение размеров капель в эмульсионной матрице марки «эмуласт» при частоте вращения ротора эмульсификатора 2500 мин^-1

С увеличением частоты вращения ротора аппарата эмульгирования возникают и негативные последствия, такие, как повышение температуры изготовленной эмульсионной матрицы вследствие преобразования кинетической энергии вращения исполнительных органов эмульсификатора в тепловую. Уже при частоте вращения 1500 мин^-1 температура изготовленной эмульсии превышает температуру плавления полиэтилена высокого давления, равную 130 - 140 ^оС, что технологически нецелесообразно и вызывает необходимость последующего охлаждения изготовленной эмульсии.

С точки зрения выполнения условия «необходимости и достаточности», использование аппаратов эмульгирования с частотой вращения исполнительных органов более 1000 мин^-1 является нецелесообразным. В этом случае температура изготовленной эмульсионной матрицы достигает 95 ^оС, а количество капель эмульсии с размером менее 2,0 мкм составляет 85 - 87 %, что обеспечивает достаточно хорошую равномерность распределения компонентов в составе эмульсионной матрицы и продолжительность гарантийного срока хранения (ГСХ) в пределах 12 мес при температурах окружающей среды от - 50 до + 50 ^оС.

Для сенсибилизации эмульсионных ВВ, используемых для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности, в России наиболее широкое применение нашел способ химической газификации составов с помощью газогенерирующих добавок - веществ, вступающих в химическую реакцию с одним или несколькими компонентами с выделением в результате данной реакции микроскопических пузырьков инертных газов, повышающих чувствительность ЭВВ к инициирующему (взрывному) импульсу.

Дополнительного уменьшения размеров капель эмульсионной матрицы без увеличения частоты вращения роторов аппаратов эмульгирования можно добиться применением индустриальных масел пониженной вязкости. Так, например, масло индустриальное марки И-30А по ГОСТ 20799-88 в сравнении с индустриальным маслом И-40А имеет кинематическую вязкость при температуре 40 ^оС, меньшую примерно в 1,5 раза [2].

Известны также составы эмульсионной матрицы, изготовленные с применением дизельного топлива (ДТ) по ГОСТ 305-82 [3]. Основной целью замены индустриальных масел на ДТ является удешевление изготавливаемых эмульсий. Однако снижение вязкости топливной фазы приводит и к снижению водоустойчивости эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), особенно в условиях фильтрации грунтовых вод, к частичному вымыванию заряда ЭВВ, к потере его детонационной способности в условиях глубоких скважин (более 10 м) за счет слияния микроскопических газовых пузырьков между собой и их выдавливания из колонки взрывчатого вещества, особенно в нижних слоях заряда. Применение эмульсионных матриц, изготовленных на дизельном топливе, приводит к ограничению времени нахождения ЭВВ во взрывной скважине и является причиной неполноты детонации зарядов и их отказов.

Если отвлечься от структуры эмульсионных ВВ, то, в принципе, они представляют собой не что иное, как игданит (сухая смесь аммиачной селитры и жидкого нефтепродукта). Наличие воды в составах эмульсионных матриц приводит к снижению тротилового эквивалента ЭВВ. С уменьшением массовой доли воды в составе ЭВВ увеличивается его тротиловый эквивалент. Однако, с другой стороны, при уменьшении массовой доли воды в составе эмульсионных матриц уменьшается пластичность эмульсионного взрывчатого вещества.

Зависимость работоспособности ЭВВ от массовой доли воды в составе эмульсионной матрицы можно проследить на примере эмуласта АС-30ФП (ТУ 7276-014-16359200-2004 [4]), разработанного сотрудниками ОАО «НЦ ВостНИИ», при его испытании на бризантность в стальных кольцах. Оценка бризантности ЭВВ осуществлялась по обжатию стандартного свинцового цилиндра по ГОСТ 5984-99 [5]. Результаты исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний на бризантность эмуласта АС-30ФП в зависимости от массовой доли воды в составе его эмульсионной матрицы

Из представленных сведений видно, что работоспособность эмуласта АС-30ФП прямо пропорционально зависит от плотности самого ЭВВ и массовой доли воды в составе эмульсионной матрицы. Для обеспечения текучести ЭВВ при его заряжании и для предотвращения застревания патронов ЭВВ во взрывных скважинах массовая доля воды в составе эмуласта АС-30ФП должна составлять менее 15,0 %.

Для повышения тротилового эквивалента взрыва эмуласта АС-30ФП, а также в качестве технологической добавки, позволяющей осуществлять взрывание сульфидсодержащих руд, стабилизировать эмульсию во времени и предотвратить ее разложение и перекристаллизацию, произведено введение карбамида по ГОСТ 2081-92 [6] марок А и Б или их смеси в любых соотношениях. При этом карбамид должен быть изготовлен без кондиционирующих добавок или с кондиционирующей добавкой из карбамидформальдегидной смолы. Массовая доля карбамида в эмульсионной матрице эмуласта АС-30ФП - 5,0 %.

Дополнительно для «искусственного» уменьшения массовой доли воды в состав эмуласта АС-30ФП введена добавка гранулированной аммиачной селитры массой до 30 %. Вследствие выполненных действий массовая доля воды в готовом взрывчатом веществе не превышает 11,0 %, что увеличивает работоспособность взрывчатого вещества. Снижение массовой доли воды в составе эмульсионного ВВ эмуласт АС-30ФП тем не менее позволило сохранить показатели безопасности ЭВВ на низком уровне за счет отсутствия в составе индивидуальных взрывчатых веществ, а также за счет добавки гранулированной аммиачной селитры по ГОСТ 2-85 [7]. Показатели промышленной безопасности эмуласта АС-30ФП представлены в таблице 2.

Таблица 2

Показатели промышленной безопасности эмуласта АС-30ФП

Для обеспечения возможности транспортирования ЭВВ на дальние расстояния, превышающие 1000 км, а также для осуществления доставки ЭВВ на горнодобывающие предприятия, расположенные в районах Крайнего Севера и приравненных к ним, широкое распространение в отечественной практике нашло патронирование эмульсионных ВВ в полиэтиленовые оболочки различного диаметра с последующей упаковкой в транспортную тару. Транспортная тара, представляющая собой ящики из гофрированного картона, обеспечивает сохранность патронов в процессе транспортирования всеми видами транспорта, а также в процессе хранения патронов эмульсионных ВВ в условиях базисных и расходных складов.

Совокупность продуманных технологических решений инженерно-технического персонала специализированных предприятий-изготовителей промышленных ВВ, оптимальный выбор компонентов и их массовых долей в составах патронированных эмульсионных взрывчатых веществ, разработанных сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ», таких как эмульсионный состав АС-25П (ТУ 7276-066-00173769-2008 [10]), изготавливаемый ОАО «Промсинтез» (г. Чапаевск, Самарской обл.) в объеме 22,0 - 25,0 тыс. т/год, и эмуласт АС-30ФП (ТУ 7276-014-16359200-2004), изготавливаемый несколькими предприятиями, в том числе ОАО «Калиновский химический завод» (пос. Калиново, Свердловской обл.) в объеме 8,0 - 10,0 тыс. т/год, а также ФГУП «Производственное объединение «Прогресс» (г. Кемерово) в объеме 8,0 - 10,0 тыс. т/год и ФГУП «Дальневосточное объединение «Восход» в объеме 14,0 - 16,0 тыс. т/год, позволили в значительной мере удовлетворить спрос горнодобывающих предприятий России на эффективные эмульсионные взрывчатые вещества, предназначенные для формирования скважинных зарядов на земной поверхности.

Библиографический список

1. ТУ 75 11903-631-93. Эмульгатор полимерный «РЭМ». Технические условия.

2. ГОСТ 20799-88. Масла индустриальные. Технические условия.

3. ГОСТ 305-82. Дизельное топливо. Технические условия.

4. ТУ 7276-014-16359200-2004. Вещества взрывчатые промышленные. Эмуласт АС-30ФП. Технические условия.

5. ГОСТ 5984-99. Вещества взрывчатые. Метод определения бризантности.

6. ГОСТ 2081-92. Карбамид. Технические условия.

7. ГОСТ 2-85. Селитра аммиачная. Технические условия.

8. ГОСТ 4545-88. Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к удару.

9. ГОСТ Р 50835-95. Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к трению при ударном сдвиге.

10. ТУ 7276-066-00173769-2008. Вещества взрывчатые промышленные. Эмульсионный состав АС-25П. Технические условия.

Размещено на Allbest.ru