Анализ существующих эмульсионных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Ю.В. Варнаков

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

А.Ф. Макаров

старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»

К.Ю. Варнаков

студент ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

УДК 622.235:213.2

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ II КЛАССА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ШПУРОВЫМИ ЗАРЯДАМИ МАЛОГО ДИАМЕТРА

Анализируются существующие эмульсионные взрывчатые составы II класса, предназначенные для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра на земной поверхности и в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли.

Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ЭМУЛЬСИОННАЯ МАТРИЦА, ЭМУЛЬСИОННЫЕ ВВ

Эмульсионные взрывча-

тые вещества (ЭВВ), обладающие высокими эксплуатационными и взрывчатыми характеристиками, нашли достаточно широкое распространение в горнодобывающих отраслях промышленности России. При этом наибольшее распространение получили составы, используемые для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности [1].

Общим рецептурным признаком таких ЭВВ является наличие дисперсии водного раствора окислителей в смеси с углеводородным горючим и эмульгатором в присутствии сенсибилизаторов ЭВВ. Сенсибилизацию эмульсионных взрывчатых веществ осуществляют в основном механическим или химическим путем. В первом случае сенсибилизацию осуществляют стеклянными, полистирольными,

фенолформальдегидными микросферами, а также алюмосиликат-ными микросферами из отходов ТЭЦ или вспененным перлитовым песком. Во втором - водными растворами нитрита натрия с различными добавками, понижающими температуру кристаллизации растворов.

Эмульсионных взрывчатых ве-

ществ II класса, способных детонировать в патронах малого диаметра и сравнимых при этом по своим эксплуатационным и взрывчатым характеристикам со штатным аммонитом № 6ЖВ-200 (-300) [2], предназначенным для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами на земной поверхности и в условиях подземных выработок шахт, не опасных по газу или пыли, практически не имеется. Так, например, эмульсионное патронирован-ное взрывчатое вещество II класса «Ярит-М», предлагаемое на замену

аммонита № 6ЖВ и изготавливаемое ОАО «Калиновский химический завод» в соответствии с техническими требованиями ТУ 7288003-86730570-2008 по шведской рецептуре и технологии патронами номинальным диаметром 32, 36 и 45 мм в полимерной оболочке, имеет основные физико-химические и взрывчатые показатели, представленные в таблице 1 [3].

Анализ сведений, изложенных в таблице 1, показывает, что декларируемое дробление руд и пород крепостью до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова при тротиловом эквиваленте по теплоте взрыва 0,73 и скорости детонации О = 4,5 км/с в стальной бесшовной трубе диаметром 37 х 2,5 мм вряд ли возможно.

Для сравнения скажем, что штатный аммонит № 6ЖВ имеет скорость детонации открытого заряда в диапазоне 3,6 - 4,8 км/с при почти

Наименование показателя Норма

Расчетные

Теплота взрыва, ккал/кг (МДж/кг) 725 (3,02)

Тротиловый эквивалент по теплоте взрыва 0,73

Кислородный баланс, % -2,34

Удельный объем газообразных продуктов взрыва, л/кг 850

Концентрация энергии при рабочей плотности заряда, равной 1,12 г/см1*, ккал/дмл 797

Количество вредных газов в пересчете на СО (II), л/кг 35

Экспериментальные

Плотность ЭВВ в патроне, г/см'3 1,12

Чувствительность к удару по ГОСТ 4545-88: частость взрывов, % нижний предел, мм 0 500

Чувствительность к трению на приборе К-44-3 по ГОСТ Р 50835-2000: частость взрывов при давлении прижатия, равном 700 МПа (7000 кгс/см2), % 0

Температура самовоспламенения с задержкой 25 с, °С 300

Чувствительность к инициирующему импульсу ЭД, КД, ДШ Чувствителен

Критический диаметр детонации в стальной оболочке, мм 35-40

Бризантность по ГОСТ 5984-99 зарядов ВВ массой 50 г в стальных кольцах от шашки-детонатора из прессованного тротила массой 10 г, мм 20-22

Скорость детонации заряда в стальной бесшовной трубе диаметром 37x2,5, мм £4500

Передача детонации на расстояние между двумя сухими патронами в стальной бесшовной трубе, см £ 1/2 номинального диаметра патрона

нулевом кислородном балансе (КБ = -0,53 %) и тротиловом эквиваленте 1,03.

Несбалансированность ЭВВ «Ярит -М» по кислороду (КБ = -2,34 %) предполагает повышенное выделение в атмосферу забоев токсичных газов взрыва, в том числе аммиака в свободном виде, а также неудовлетворительные взрывчатые показатели состава. Низкие взрывчатые и эксплуатационные показатели ЭВВ «Ярит-М» привели к отказу горнодобывающих предприятий от использования данного ВВ по прямому назначению - для формирова-

ния шпуровых зарядов патронами малого диаметра на земной поверхности и в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли.

Известен еще один взрывчатый состав II класса зарубежного производства - «Senatel Magnum», изготавливаемый акционерным обществом «Орика-Казахстан» и также предназначенный для заряжания скважин и шпуров в обводненных и сухих забоях на открытых и подземных горных разработках, кроме шахт, опасных по газу или пыли, без ограничения крепости взрываемых пород и климатических условий [4].

ЭВВ «Senatel Magnum» изготавливается патронами в полиэтиленовой оболочке номинальными диаметрами 27, 32, 34, 36, 38, 40, 50, 75 и 90 мм.

Основные физико-химические и взрывчатые показатели эмульсионного взрывчатого состава «Senatel Magnum» представлены в таблице 2.

Эмульсионное взрывчатое вещество «Senatel Magnum» выгодно отличается от ЭВВ «Ярит-М». Взрывчатые показатели патронов ЭВВ «Senatel Magnum» близки к

Наименование показателя Норма

Расчетные

Теплота взрыва, ккал/кг (МДж/кг) 1058(4,43)

Тротиловый эквивалент по теплоте взрыва 1,08

Кислородный баланс, % -1,75

Объем газообразных продуктов взрыва, л/кг 878

Количество вредных газов в пересчете на СО (II), л/кг 30

Экспериментальные

Плотность ЭВВ в патроне, г/смл 1,18-1,21

Чувствительность к удару, Дж >98

Чувствительность к трению, Н > 352,8

Чувствительность к инициирующему импульсу ЭД, КД, ДШ Чувствителен

Критический диаметр детонации в стальной оболочке, мм 7

Передача детонации на расстояние между двумя патронами, см: для диаметров от 27 до 50 мм для диаметров > 50 мм >2-4 >4-10

Таблица 3 - Массовая доля компонентов в эмульсионной матрице «Яра-ПЧ»

Наименование компонента Норма, %

Окислительная фаза

Аммиачная селитра 68,5 - 72,0

Натриевая селитра 9,0-12,0

Вода 9,0-12,0

Натрия формиат 0,60

Углеводородная фаза

Масло индустриальное 2,2 - 2,5

Воск/Парафин 2,8

Эмульгатор 1,1

Примечание - При получении эмульсии «окислительная фаза» и «углеводородная фаза» дозируются в соотношении 93,60 и 6,40 % соответственно

аналогичным показателям патронов штатного аммонита № 6ЖВ. Для выяснения причин столь значительных различий показателей ЭВВ «Senatel Magnum» и «Ярит-М» необходимо провести анализ рецептур рассматриваемых взрывчатых веществ.

Перечень и массовые доли компонентов в составе эмульсионной матрицы «Яра-ПЧ», на основе которой изготавливается ЭВВ «Ярит-М», представлены в таблице 3 [5].

Из сведений, приведенных в таблице 3, видно, что окислительная

фаза эмульсии изготавливается на основе аммиачной и натриевой селитр, являющихся окислителями, формиата натрия и, естественно, воды для приготовления раствора. При этом углеводородная фаза изготавливается на основе индустриального масла малой вязкости не

Наименование компонента Норма

Внешний вид Пластичное вещество белого цвета

Массовая доля компонентов, %:

матрица эмульсионная «Яра-ПЧ» 99,10 + 0,06

кислота уксусная 0,30 + 0,01

натрия нитрит 0,60 ± 0,05

выше, чем у И-12А, мелкокристаллического промышленного воска или нефтяного спичечного парафина, а также эмульгатора торговой марки <^иЬ^о1» LZ 2820.

Перечень и массовые доли компонентов в составе готового к отгрузке потребителю ЭВВ «Ярит-М» представлены в таблице 4.

Согласно таблице 4 ЭВВ «Ярит-М» изготавливается без добавок, регулирующих кислородный баланс и теплоту взрыва. Сенсибилизация ЭВВ произведена раствором нитри-

та натрия с добавкой уксусной кислоты, регулирующей кислотность ЭВВ.

Перечень компонентов и их массовые доли в составе ЭВВ «Senatel Magnum» представлены в таблице 5.

Совместный анализ сведений таблиц 3, 4, 5 показывает, что массовая доля воды в составе ЭВВ «Senatel Magnum» практически вдвое меньше по сравнению с ЭВВ «Ярит-М».

Энергетические добавки в составе ЭВВ «Ярит-М» отсутствуют, в то время как ЭВВ «Senatel Magnum» содержит в своем составе алюминиевый порошок при массовой доле 4,3 - 5,0 % и добавку пористой гранулированной аммиачной селитры при массовой доле 18,0 - 20,0 %. Вследствие этого теплота взрыва ЭВВ «Senatel Magnum» несколько превышает теплоту взрыва штатного аммонита № 6ЖВ.

Сенсибилизация взрывчатых составов осуществлена путем газифика-

Таблица 5 - Mассовая доля компонентов в составе ЭВВ «Senatel Magnum»

Наименование компонента Норма, %

Окислительная фаза

Аммиачная селитра кристаллическая или гранулированная 57,0 - 60,0

Перхлорат натрия моногидрат 5,0 - 8,0

Вода 5,0 - 8,0

Стабилизатор кислотности 0,4 - 0,6

Углеводородная фаза

Парафин + воск 3,0-4,0

Эмульгатор 1,0-2,0

Добавляемые вещества

Аммиачная селитра пористая 18,0-20,0

Алюминиевый порошок 4,3 - 5,0

Газогенерирующая добавка 0,2 - 0,3

Газогенерирующая добавка

Нитрит натрия 14,0-15,0

Тиоцианат натрия 14,0-15,0

Вода 70,0 - 72,0

ции - введением водного раствора натрия с добавками уксусной кислоты в ЭВВ «Ярит-М» и роданистого натрия в ЭВВ «Senatel Magnum».

При этом следует отметить, что введение энергетической добавки из тонкодисперсного алюминиевого порошка и пористой гранулированной аммиачной селитры дополнительно привносит в состав ЭВВ «Senatel Magnum» сенсибилизирующие микроскопические газовоздушные пузырьки.

Нормируемая плотность ЭВВ «Senatel Magnum» находится в пределах 1,18 -1,21 г/см3, в то время, как нормируемая плотность ЭВВ «Ярит-М» регламентируется значением 1,12 г/см3. Различия в значениях рабочих диапазонов плотностей, очевидно, объясняется различием в значениях плотностей эмульсионных матриц.

При значении плотности эмульсии «Яра-ПЧ», равной р = 1,33 г/см3, значение плотности эмульсионной матрицы ЭВВ «Senatel Magnum» находится в пределах р = (1,40 ± 0,02) г/см3.

Повышенная плотность эмульсионной матрицы ЭВВ «Senatel Magnum» является следствием уменьшенного содержания воды в составе и использования в качестве углеводородной фазы смеси парафин + воск, обладающей большей плотностью, чем смесь масла индустриального И-12А с парафином в составе эмульсии «Яра-ПЧ».

Повышенные значения основных взрывчатых показателей ЭВВ «Senatel Magnum», в отличие от ЭВВ «Ярит-М», объясняются также введением в состав окислительной фазы моногидрата перхлората натрия, который повышает чув-

ствительность ЭВВ к взрывному импульсу первичных средств ини -циирования (КД, ЭД, неэлектрические системы взрывания), теплоту, выделяемую при протекании реакции взрывчатого превращения, а также скорость детонации ВВ.

Проведенный анализ составов эмульсионных ВВ показывает, что создание эмульсионных ВВ с достаточно малым критическим диаметром до 18,0 мм при необходимой скорости детонации до 5,5 км/с в открытом заряде возможно лишь на основе безводных эмульсионных матриц или, как промежуточный вариант, на основе эмульсионных матриц с уменьшенным содержанием воды.

Применение указанных эмульсионных матриц позволит повысить тротиловый эквивалент ЭВВ без введения дополнительных энергетических добавок до 0,92 (для безводных матриц) и до 0,86 для матриц с низким содержанием воды. Использование энергетических добавок позволит достичь значений тротилового эквивалента ЭВВ до 1,2.

Наиболее близким к эмульсионному взрывчатому составу, способному детонировать в зарядах малого диаметра по виду применяемых компонентов, является состав [6], в котором массовая доля компонентов имеет соотношение, %:

• нитрат натрия 5,0...15,0

• (или нитрат кальция) 5,0.25,0

• (и/или аммоний хлорнокислый)

5.0.15.0

• нитрат метиламина 5,0.15,0

• (или динитрат этилендиамина)

5.0.30.0

• (или натрий хлорнокислый) 5,0.

25,0

• вода 5,0.25,0)

• масло индустриальное 2,0...7,0

• петролатум 0,5.4,0

• парафин 1,0.2,0

• (или битум) 0,5. 2,5

• продукт конденсации полиоле-фина с малеиновым ангидридом и алканоламином или полиолом, или смеси этих продуктов с эфирами жирных кислот фракции С17 - С25, или эфирами жирных кислот тал-лового масла с глицерином или полиглицерином, или пентаэритритом

1.0...3.0;

• раствор нитрита натрия 0,2...5,0

• (или смесь раствора нитрита натрия с формалином (3:1) 0,005.

5,0

• (или стеклянные микросферы)

2.0.6.0

• (или фенолформальдегидные микросферы) 3,0.7,0

• (или полистирольные микросферы) 3,0.6,0

• (или микросферы от отходов ТЭЦ)

4,0.10,0

• (или перлит) 2,0...6,0

• аммиачная селитра - остальное до 100.

Кроме того, взрывчатый состав может содержать энергетические добавки в виде дисперсного алюминия в количестве от 3,0 до 15,0 %.

Анализ данного эмульсионного взрывчатого состава показывает наличие высокотоксичных, пожароопасных и индивидуальных взрывчатых веществ, чувствительных к механическим воздействиям (удару и трению), а также чувствительных к повышенным температурам, искровым разрядам и открытому пламени (аммоний хлорнокислый, нитрат метиламина, динитрат этилендиа-мина, натрий хлорнокислый).

Кроме того, в анализируемом составе достаточно много загущающих веществ типа петролатума и парафина (или битума), снижающих взрывчатые характеристики ВВ - чувствительность к взрывному

импульсу первичных средств ини -циирования, скорость детонации, передачу детонации на расстояние между двумя патронами вследствие увеличения критического диаметра ЭВВ.

Применение сенсибилизации па-тронированных эмульсионных взрывчатых составов, предназначенных для формирования шпуровых зарядов с помощью фенолфор-мальдегидных или полистирольных микросфер, а тем более микросфер из отходов ТЭЦ или вспененного перлитового песка, является недопустимым, так как они резко увеличивают критический диаметр детонации, разрушают микрокапельки эмульсии вследствие абразивного трения, что сопровождается последующей перекристаллизацией раствора окислителя из разрушенных микрокапель эмульсионной матри -цы вплоть до полной потери детонационных свойств заряда. Выполненный анализ существующих эмульсионных взрывчатых веществ II класса, предназначенных

для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра, как на земной поверхности, так и в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли, позволил сделать следующие выводы:

1 В основном существующие эмульсионные взрывчатые составы, предназначенные для производства взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра, либо таковыми не являются, либо имеют низкие взрывчатые и эксплуатационные характеристики, не удовлетворяющие требованиям горнодобывающих предприятий.

2 Эмульсионные взрывчатые вещества, способные в настоящее время заменить существующий штатный аммонит № 6ЖВ-200 (-300) [2], имеют в своем составе дорогостоящие компоненты, в том числе зарубежного производства, а также дорогостоящие энергетические добавки, в том числе из индивидуальных взрывчатых веществ или из пожароопасных веществ, повышающих

не только теплоту взрыва, но и опасность существующих производств промышленных взрывчатых веществ.

3 Взрывчатые показатели ЭВВ находятся в прямой зависимости от массовой доли воды в составах эмульсионных матриц и самих взрывчатых составов.

4 Введение в состав эмульсионных взрывчатых веществ пористой гранулированной аммиачной селитры до 25,0 % позволяет дополнительно искусственно уменьшить массовую долю воды в составе ЭВВ, снизить плотность взрывчатого состава и привести кислородный баланс к нулевому значению.

5 Нулевой кислородный баланс обеспечивает максимальное выделение энергии взрывчатого превращения ЭВВ и минимальное образование токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Пат.2222519 Российская Федерация, МПК С06В31/28, С06В45/08. Патронированные взрывчатые энергетические эмульсии [Текст] / Шалойард Жерар (FR); заявитель и патентообладатель Нобель Эксплозиф Франс (FR) -№99113834/02; заявл. 01.07.99, опубл. 20.05.01.

2 ГОСТ 21984-76 Вещества взрывчатые промышленные. Аммонит № 6ЖВ и аммонал водоустойчивые. Технические условия.

3 ТУ 7288-003-86730570-2008 Вещества взрывчатые промышленные. Заряды эмульсионного взрывчатого вещества в патронах малого диаметра «Ярит-М». Технические условия.

4 СТ ОА 393024 96-003-2008 Вещества взрывчатые промышленные эмульсионные. Senatel Magnum и Fortel Plus 65. Технические условия.

5 ТУ 2241- 002-86730570-2008 Эмульсионная матрица «Яра-ПЧ». Технические условия.

6 Пат. 2123488 Российская Федерация, МПК С06В31/28, С06В45/08. Эмульсионный взрывчатый состав [Текст]/ Илюхин В.С., Смышляева Н.А., Лобаева Л.В., Сахипов Р.Х., Соколов А.В., Черемухина В.И., Макогон Л.В., Сергеева М.Н.; заявитель и патентообладатель Государственный научно-исследовательский институт «Кристалл». - №94003526/02; заявл. 01.02.94, опубл. 20.12.98.

ANALYSIS OF EXISTING CLASS II EMULSION EXPLOSIVES INTENDED Варнаков

FOR BLASTING OPERATIONS WITH SMALL DIAMETER BORE-HOLE Юрий Владимирович

CHARGES е-mail: [email protected]

Yu.V. Varnakov, A.F. Makarov, K.Yu. Varnakov

Existing II class emulsion explosive compositions are analyzed, intended Макаров

for blasting operations with bore-hole charges of small diameter on the Андрей Фадеевич

surface and in underground mines, not dangerous for gas or dust. е-mail: [email protected]

Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EXPLOSIVES, BLAST WORKS,

EMULSION MATRIX, EMULSION EXPLOSIVES Варнаков

Кирилл Юрьевич

е-mail:[email protected]