CC BY
97
УДК 622.235.2
А. В. Старшинов, С. С. Костылев, И. Ю. Куприянов, Ж. Жамьян
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СМЕСЕВЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
Ключевые слова: взрывчатые вещества, аммиачная селитра, смеси, взрывчатые характеристики, слеживаемость, водоустойчивость, возгорание углей, ЭВВ.
Приведены результаты анализа применения смесевых бестротиловых взрывчатых веществ (ВВ) различных разновидностей в РФ и за рубежом. Выделены проблемы применения таких ВВ в сложных условиях, в частности в зарядах малого сечения, при взрывании массивов углей, склонных к возгоранию при рыхлении и др. Предложены варианты технических решений по улучшению эксплуатационных и взрывчатых характеристик смесей на основе аммиачной селитры в твердом гранулированном и порошкообразном состоянии, а также в виде эмульсий. Показана возможность изготовления смесевых систем приемлемого для промышленности качества с использованием доступных видов сырья общетехнического назначения.
Keywords: explosives, ammonium nitrate, mixtures, explosive characteristics, caking ability, water resistance, coal combustion,
emulsion explosive.
The article provides some results of the analysis of the use of mixed non-trotyl explosives of different types in Russia and abroad. It highlights the problems of using such explosives in difficult conditions, particularly in charges of small cross-section, at blasting of coal blocks prone to fire during loosening, etc. The article also suggests variants of technical solutions to improve the operational and explosive characteristics of mixtures based on ammonium nitrate in a solid granular and powdery state, as well as in the form of emulsion. It shows the possibility to produce mixed systems of quality acceptable for the industry with the use of the available types of raw materials of the general technical purpose.
На текущий момент времени в РФ и связанных с ней научно-техническим сотрудничеством странах в области обеспечения горных работ взрывчатыми материалами (ВМ) достигнут уровень, приближающийся к мировому по ассортименту ВВ и средств взрывания (СВ). Основная доля ВВ представлена смесевыми системами без добавок индивидуальных (молекулярных) ВВ на основе аммиачной селитры (АС), как в твердом гранулированном и/или порошкообразном состоянии, так и в виде эмульсий водных растворов АС и других солей в композициях масел и эмульгаторов. Однако, в силу специфики развития сырьевой базы, в РФ имеется ряд отличий в технических решениях для изготовления зарядов ВВ специального назначения, например, для патронов малого (18-50 мм) диаметра, в том числе для подземных выработок, опасных по выделению взрывоопасных газов и пыли и др. Решение данной проблемы в нашей стране остается "классическим", основанным на использовании смесей АС с тротилом - аммонитов. Такое решение оказалось оправданным в течение нескольких десятилетий, в силу использования в аммонитах специальной разновидности АС марки ЖВ (ЖВГ) [1, 2]. В то же время, в мировой практике проблема зарядов малого сечения (малого диаметра) устраняется другими способами. Наиболее распространенной технологией изготовления патронов малого диаметра в настоящее время можно признать использование высокодисперсных однородных эмульсий типа "вода в масле", сенсибилизированных введением газовых включений как физическим, так и химическим способом, и обладающих повышенной детонационной способностью за счет применения специальных масляных композиций, а также уменьшенного (на уровне 10%) содержания воды [3 - 6]. Возможности создания сме-
сей с повышенной детонационной способностью на основе АС в твердом состоянии в виде порошка ограничиваются самой природой АС и её свойствами, основными из которых в данном случае являются наличие нескольких кристаллических модификаций, повышенная гигроскопичность и склонность к агломерации ("слеживаемость") [1,2,7]. Эти же особенности АС, а также специфика подхода к решению вопросов производства специальных разновидностей АС в виде пористых гранул (ПАС) [3,7,8], определяют существование ряда сложностей в применении наиболее простых по составу и технологии изготовления смесей с горючими добавками из числа жидких нефтепродуктов (НП), в частности, дизельного топлива (ДТ) - смесей типа АСДТ [3, 9].
Многолетний опыт работы с названными системами в реальных условиях применения в различных регионах РФ и Монголии определяет возможность представления ряда обобщений по результатам собственных экспериментальных исследований и сопоставления их с известными из публикаций материалами [8, 10].
Одной из проблемных областей применения смесевых ВВ на основе АС (АСВВ) является взрывание массивов углей, склонных к возгоранию при рыхлении. Анализ опыта ведения таких работ на угольных разрезах Монголии позволил выявить ряд интересных особенностей, объяснение которых требует учета не только технических, но и организационных решений. В соответствии с общими и наиболее достоверными представлениями о механизме возгорания углей при рыхлении является взаимодействие их с адсорбированным кислородом на поверхностях разрушения, содержащих активные, как правило, в виде радикалов образования. Процесс адсорбции кислорода и развития реакций взаимодействия растя-
нут во времени и характеризуется инкубационным временем (Тинк) возгорания угля [11].
В результате наблюдений за разрыхленными массивами на угольных разрезах Монголии (Ша-рынгол, Баганур) установлено, что Тинк сокращается при рыхлении массива углей взрывным способом. При этом сокращение Тинк происходит более активно при использовании гетерогенных ВВ с повышен-
ной неоднородностью и с отклонениями состава от соответствующего стехиометрическому, соответственно, с кислородным балансом (К.б.), отличающимся от нулевого. На рис 1 представлены обобщенные зависимости объемов возгорания углей на разрезе Шарынгол в период 1965-1986 гг., когда выполнялись систематические и полноценные наблюдения за состоянием горных работ.
Рис. 1 - Количество вывозного самовозгоревшего угля Шарынгольского разреза за 1965-1986 гг.
Резкий рост аварийных ситуаций наблюдался в 1975 - 1980 гг., когда на разрезе велось активное, зачастую принудительное, внедрение созданных в СССР гранулированных ВВ типа "Граммонит" и "Гранулит" взамен использовавшегося до этого периода аммонита 6ЖВ. Весьма важно отметить, что вероятность возгорания углей возрастала как при использовании бестротиловых смесей, включая гра-нулиты М, С-4, АС-4, АС-8, так и граммонитов с большим содержанием тротила (50/50, 30/70) и гра-нулотола. Ситуация еще более усложнилась в период, начиная с конца 90-х годов ХХ столетия, при переходе на применение смесей типа АСДТ ("Игда-нит"), для изготовления которых использовалась любая, доступная для приобретения АС (АС по ГОСТ 2). Подобная картина наблюдалась на разрезе Баганур, но в менее критических режимах, так как разработка разреза была начата позднее и велась с учетом опыта разреза Шарынгол. На разрезе Бага-нур ситуацию удалось взять под контроль только после создания специальных рецептур ВВ с добавками и технологическими приемами изготовления, обеспечивающими высокую однородность смешивания всех компонентов, физическую стабильность смесей АСДТ и уменьшающими эффект их флегма-тизации масляной пленкой на поверхности гранул [8, 10].
Положительные результаты по уменьшению вероятности возгорания углей при взрывном рыхлении достигаются при использовании смесей АСДТ с К.б. близким к нулевому или с некоторым превышением содержания горючего (К.б. отрицательный), но при условии, что жидкая горючая добавка (НП, ДТ и т.п.) полностью адсорбирована (поглощена) твердыми компонентами смеси и не образует сплошной пленки на поверхности частиц-гранул АС. Это ус-
ловие выполняется при использовании ПАС с открытой пористостью, что до настоящего времени обеспечивалось только для продуктов зарубежного (не российского) производства. При использовании АС марок "пористая", полученных по методу "прил-лирования и химической газификации" по технологии, используемой в РФ [7, 8], необходимо выполнение дополнительных технологических приемов устранения эффекта флегматизации: или термообработкой АС (ПАС) с разрушением сплошности поверхности гранул за счет образования трещин или введением дисперсных добавок, предпочтительно горючих, с высокой поглотительной способностью по отношению к НП (ДТ). В качестве таких добавок могут использоваться как хорошо известные вещества (порошки углей, торф, мука из коры деревьев и др.), так и отходы производств, например, спирта, или продукты жизнедеятельности животных, например мука органическая ферментированная (МОФ или ОА) [8, 10]. Использование для взрывания угольного массива смесей типа АСДТ на основе АС по ГОСТ 2 является наименее приемлемым и становится возможным только при выполнении технологических приемов в комплексе, например, сочетанием последовательных операций термообработки АС, смешивания АС с НП (ДТ) в нагретом состоянии и последующего введения дисперсной добавки МОФ. Применение описанных технологических приемов и соответствующих рецептур смесей позволило исключить повышение вероятности возгорания углей на разрезах Монголии до "естественного" уровня, что подтверждается результатами наблюдений за последние 10 лет. Полученные результаты представлены в таблице 1, где смесь с дисперсной добавкой ОА (МОФ) обозначена как ANFO-OA.
Актуальной в течение многих десятилетий остается проблема слеживаемости смесевых систем на основе АС в твердом состоянии, что хорошо известно и предлагается к устранению различными способами, примеры которых приведены в работе [1]. В результате предварительных экспериментов установлено, что слеживаемость АСВВ может быть уменьшена благодаря использованию созданных в последние годы эффективных поверхностно-активных веществ (ПАВ) и добавок с высокой поглотительной способностью к воде (влаге), а также специальных режимов совмещения компонентов смеси [12]. Обнадеживающие результаты были по-
лучены при введении в состав порошка АС водопо-глощающей добавки МКЦ, широко используемой в пищевой промышленности. Однако при введении в систему АС+МКЦ необходимого количества ДТ слеживаемость даже возросла по сравнению с АСДТ на основе АС без МКЦ. Результаты приведены на рис 2. В экспериментах изготавливались образцы из испытуемой смеси определенных размеров, эти образцы подвергались сжатию с помощью груза (гири) в течение заданного времени в течение нескольких суток (до 60 суток) После выдержки образцы-брикеты подвергались разрушению.
Рис. 2 - Изменение слеживаемости смесей на основе типа добавки при выдержке системы в течение 30 су
В настоящее время эксперименты в данном направлении продолжаются с использованием в качестве добавок для уменьшения слеживаемости высокодисперсных порошков, полученных по нано технологиям и криогенным диспергированием. Предполагаемая область применения создаваемых систем - изготовление зарядов (патронов) малого диаметра, чувствительных к первичным средствам инициирования, для открытых и подземных работ в условиях производств небольшой мощности вблизи мест ведения взрывных работ.
Естественно, что проблема зарядов малого диаметра с необходимой взрывной эффективностью может быть решена на основе ВВ эмульсионного типа (ЭВВ), как это известно из мировой практики. Такие производства созданы и успешно эксплуатируется в Монголии (комплекс "НАЛАЙХ") и в Приморском крае РФ.
Производство ЭВВ в РФ выполнено в виде комплектной технологической линии ТЛ-САЯНИТ-ЛП, обеспечивающей выпуск ЭВВ двух разновидностей под общей товарной маркой "САЯНИТ": патронов САЯНИТ-П диаметром 32, 60 и 90 мм, а также наливных ЭВВ САЯНИТ-Н, заряжаемых непосредственно в скважины с помощью СЗМ. Сенсибилизация эмульсии и получение ЭВВ в обеих разновидностях осуществляется химическим способом с помощью газогенерирующей добавки (ГГД) на основе водного раствора нитрита натрия.
Технологический процесс изготовления эмульсии (САЯНИТ-П и САЯНИТ-Н) по принципу ис-
в виде порошка в зависимости от усилия сжатия и
полнения и аппаратурного оснащения подобен широко распространенным в стране аналогам и состоит в предварительном порционном приготовлении раствора окислителей (РО) - водной фазы (ВФ), а также композиции масел (углеводородов) с эмульгаторами - масляной фазы (МФ) и последующего совмещения ВФ и МФ в аппарате эмульгирования. Особенности и преимущества технологии приготовления определяются конструктивным исполнением аппаратов и параметрами технологического процесса. Существенное внимание в технологии уделено системам очистки - фильтрования ВФ и МФ, а также точности дозирования с контролем расхода каждого компонента строго "по массе". Принципиально новым, по сравнению с используемыми в стране, является аппарат эмульгирования, который представляет собой смеситель "статического типа". Важным элементом рецептуры ЭВВ САЯНИТ-П является использование композитной масляной фазы (КМФ), изготовленной у производителя эмульгатора и поступающей на пункт изготовления ЭВВ в виде брикетов в ящиках из гофрокартона. Следующим отличием является операция охлаждения и стабилизации температуры эмульсии перед подачей на операции сенсибилизации при изготовлении патронов, а также эмульсии перед загрузкой в СЗМ.
При изготовлении ЭВВ САЯНИТ-П формирование и наполнение патронов осуществляется с помощью однопоточных автоматов, обеспечивающих формирование оболочки патрона сворачиванием и спаиванием пленки. При этом возможна работа ав-
томатов с использованием готового рукава из полимерной пленки.
Для промышленных партий ЭВВ САЯНИТ-П при испытаниях на полигоне склада ВМ подтверждены стабильно высокие взрывчатые характеристики:
- критический диаметр детонации - не более 15 мм (часть патрона диаметром 32 мм в виде 1/4 доли по длине детонирует полностью);
- скорость детонации зарядов диаметром 90 мм -не менее 4,8 км/с;
- бризантность по ГОСТ 5984-99 - не менее 16 мм;
- расстояние передачи детонации между патронами диаметром 32 мм - до 7 см;
- эффективность по пробитию стальной плиты -превосходит аналогичный показатель для аммонита № 6ЖВ (при использовании ЭВВ в стальной плите толщиной 1/5 диаметра заряда пробивается отверстие, соответствующее калибру патрона или диаметру контактной зоны ЭВВ - металл, если используется конический заряд с высотой конуса не менее двух диаметров основания).
Таблица 1 - Объемы возгорания углей при рыхлении вывозкой массы на отвал
В дополнение к ранее опубликованным и частично воспроизведенным в настоящем материале результатам выполнена проверка работоспособности комплекса ТЛ-САЯНИТ-ЛП на сырье российского производства, включая вещества-эмульгаторы от различных производителей ("Алтайспецпродукт", завод "Знамя"). При этом доказана возможность изготовления Эмульсии и ЭВВ приемлемого качества для заряжания в скважины диаметром 125 мм и более, а также патронов диаметром от 60 мм. Еще одним результатом проверки работоспособности описанной системы является цикл испытаний по изготовлению ЭВВ "САЯНИТ-П" на "Калиновском химическом заводе" (КХЗ), где осуществлено изготовление патронов диаметром 32 мм с использованием КМФ с характеристиками, близкими приведенным выше. Особенностью технологии изготовления эмульсии на КХЗ является динамический высокоэффективный аппарат эмульгирования фирмы "ЯРА", для которого необходима корректировка параметров работы применительно к рецептуре эмульсии "Саянит ЭП".
с использованием взрывного способа с последующей
Годы Разрез Баганур Разрез Шарынгол
Объем горев- ВВ на Причина Метод ликви- Объем ВВ на Причина Метод лик-
шей горной угольном горения дации горевшей угольном горения видации
массы, тыс. т пласте гор-ной 3 массы,м пласте
2005 4,8 Игданит после взрыва вывезли на отвал нет данных - - -
2006 3,9 Игданит после взрыва вывезли на отвал нет данных - - -
2007 3,5 Игданит после взрыва вывезли на отвал нет данных - - -
2008 4,2 Игданит после взрыва вывезли на отвал нет данных - - -
2009 4,7 Игданит после взрыва вывезли на отвал нет данных - - -
2010 1,3 АНФО. просыпи вывезли на 408 Игданит после вывезли на
Игданит угля с породой отвал взрыва отвал
2011 0 АНФО-ОА 1186 Игданит после взрыва вывезли на отвал
2012 0 АНФО-ОА 1220 Игданит после взрыва вывезли на отвал
2013 0 АНФО-ОА 3980 Игданит после взрыва вывезли на отвал
2014 0,3 АНФО-ОА просыпи угля с породой 9278 Игданит после взрыва вывезли на отвал
2015 АНФО-ОА 4462 Игданит после взрыва вывезли на отвал
Приведенный материал содержит только отдельные примеры полученных за последние годы результатов по совершенствованию ВВ для горных работ в РФ и Монголии и показывает, что существующие проблемы могут быть решены и решаются путем выбора рациональных технологических
приемов изготовления смесевых ВВ с учетом особенностей сырья, доступного для использования в данный период времени. При выборе новых направлений исследований большое внимание должно быть уделено использованию современных поверх-
ностно активных веществ и других продуктов химической промышленности.
Литература
1. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества.- 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1988. - 358 с.
2. Колганов Е.В., Соснин В.А. Промышленные взрывчатые вещества : в 2 кн.. - Дзержинск : Изд-во ГосНИИ "Кристалл", 2010.
3. M.A.Cook. The Science of Industrial Explosives. -USA, IRECO Chemicals, 1974. - 449 р.
4. Wang Xuguang. Emulsion Explosives. - Beijing. Metallurgical Industry Press. 1994.-388 p.
5. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества: в 2 кн. - Дзержинск : Изд-во ГосНИИ "Кристалл", 2009.
6. Создание производства и результаты применения эмульсионных взрывчатых веществ с повышенной детонационной способностью / С.М. Киняк, С.С. Костылев, А.В. Старшинов и др. // Маркшейдерия и недропользование. - 2015.- №1 (75). - С. 25-27.
7. Аммиачная селитра: свойства, производство, применение / А.К. Чернышов, Б.В. Левин, А.В. Туголуков и др. -М.: ЗАО "ИНФОХИМ", 2009. - 544 с.
8. Некоторые особенности сырьевого обеспечения и метрологического оснащения производства смесевых взрывчатых веществ / А.В. Старшинов, С.С. Костылев, В.Р. Нейманн и др. // Маркшейдерия и недропользование. 2010.- №1(45). - С. 49-53.
9. Демидюк Г.П., Бугайский А.Н. Средства механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных взрывчатых веществ. М. : Недра, 1975. - 312 с.
10. Кутузов Б.Н., Старшинов А.В., Ж. Жамьян, Ж. Бат-мунг. Совершенствование буровзрывных работ на основе применения новых видов взрывчатых материалов и зарядной техники // Горный журнал.- 2010. - № 7 - С. 6164.
11. Методическое руководство по прогнозу и профилактике самовозгорания угля - М. : ИГД им. А.А. Скочин-ского, 1971. -59 с.
12. Викторов С.Д., Куприянов И.Ю., Старшинов А.В., Остапкович А.М. Экспериментальное определение возможности изготовления смесей на основе аммиачной селитры с высокой сыпучестью.
© А. В. Старшинов, канд. техн. наук, ООО "Нитро-Технологии САЯНЫ", kristall@niikristaU.ru; С. С. Костылев, генеральный директор ООО "Нитро-Технологии САЯНЫ"; И. Ю. Куприянов, ООО "Нитро-Технологии САЯНЫ"; Ж. Жамьян, Совместная компания "МОНМАГ".
© A. V. Starshinov, Candidate of technical sciences OOO "Nitro-Tekhnologii SAYANY", kristaU@mikristaU.ru; S. S. Kostylev, general director OOO "Nitro-Tekhnologii SAYANY"; I. Yu. Kupriyanov, OOO "Nitro-Tekhnologii SAYANY"; J. Jamian, Joint company "MONMAG".
