CC BY
74
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ
ГОРНЫХ РАБОТ
УДК 622.235:213.2
Д.Н. Батраков (научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ») К.Ю. Варнаков (студент ГОУ ВПО «КузГТУ»)
Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов
Рассматривается возможность безопасного применения тротилсодержащих взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного, в том числе пневматического, заряжания шпуров, скважин и камер в подземных условиях рудников и шахт, не опасных по газу или пыли.
Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ГРАММОНИТ, ГРАНУЛОТОЛ, ГРАНУЛИРОВАННАЯ АММИАЧНАЯ СЕЛИТРА, ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Проблема оснащения горнодобывающих предприятий, ведущих взрывные работы в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли, взрывчатыми веществами (ВВ) II класса, обладающими высокой работоспособностью и показателями безопасности, остается актуальной и в настоящее время.
Гранулированные ВВ, применяющиеся для ведения взрывных работ (ВР) в подземных условиях и предназначенные для механизированного заряжания, в том числе пневматического, представляют собой, как правило, механическую смесь компонентов, находящихся в свободном несвязанном виде.
В качестве компонентов смесевых гранулированных ВВ обычно используются:
- окислитель - гранулированная аммиачная селитра (АС) индивидуально или в сочетании с другими окислителями, в том числе с измельченной (дробленой или порошкообразной) АС;
- горючее - чешуированный или гранулированный «-тринитротолуол («-ТНТ или иначе тротил) в чистом виде или в сочетании с добавками жидкого нефтепродукта (индустриальные масла,
дизельное топливо и др.), а также порошкообразные энергетические добавки (алюминиевый и угольный порошок и др.);
- инертные порошкообразные материалы - мел, тальк и др. для предотвращения расслоения компонентов в объеме формируемых зарядов, в том числе для предотвращения стекания жидкого нефтепродукта с поверхности гранул АС.
Перечисленные вещества, за исключением алюминиевого порошка (или алюминиевой пудры), по своей природе являются диэлектриками, способствующими накоплению зарядов статического электричества в процессе механизированного транспортирования и заряжания.
Наличие чешуированного или гранулированного «-тринитротолуола, а также вязкого нефтепродукта в совокупности с мелкодисперсными горючими и инертными добавками способствует налипанию заряжаемого продукта на внутренних поверхностях зарядных шлангов и поверхностях исполнительных органов зарядных машин и механизмов. Полное перекрытие проходного сечения зарядных шлангов приводит к возникновению аварийных ситуаций, в которых подъем давления выше критического значения для заряжаемого ВВ приводит к его несанкционированному взрыву.
Пыление порошкообразных материалов при их транспортировании и заряжании ведет к изменению массовых долей компонентов и, как следствие, к изменению кислородного баланса ВВ, к снижению взрывчатых показателей, к отказам взрываемых зарядов, к неудовлетворительному дроблению горной массы, к образованию негабаритов, «стаканов» при взрывании шпуровых зарядов и др., а также к увеличенному выделению в процессе взрывчатого превращения токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва.
Все перечисленные негативные явления способствуют возникновению аварийных ситуаций, приводящих к травматизму и профессиональным заболеваниям рабочих горнодобывающих предприятий, занимающихся буровзрывными работами, то есть к снижению безопасности и эффективности ВР.
Наиболее широко применяемым до последнего времени промышленным взрывчатым веществом II класса являлся граммонит 79/21, изготавливаемый в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 21988-76 или ТУ 84-08628424-814-2005 и запрещенный Ростехнадзором к использованию для механизированного заряжания, в том числе в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли, после ряда произошедших аварий.
Граммонит 79/21 является сбалансированным по кислороду ВВ (КБ = + 0,02). Стехиометрическое соотношение компонентов предполагает максимальное выделение энергии взрывчатого превращения ВВ (1030 ккал/кг) и минимальный выход токсичных газов взрыва (35 - 50 л/кг).
Массовая доля «-тринитротолуола (чешуированного или гранулированного) в составе граммонита 79/21 составляет (21,0 ± 1,5) %, остальное - гранулированная АС (79,0 ± 1,5) %, то есть соотношение массовых долей гранулотола и гранулированной аммиачной селитры характеризуется как 1 : 4.
Применение граммонита 79/21 для взрывного дробления скальных руд и пород крепостью до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова в условиях подземных выработок было экономически целесообразно. Однако недостатки, перечисленные выше, привели к запрещению использования ВВ для механизированного формирования взрываемых зарядов.
Из вышеизложенного видно, что не следует пренебрегать разработками новых гранулированных ВВ на основе «-тринитротолуола. Необходимо только, чтобы недостатки, присущие классическому граммониту 79/21, во вновь разрабатываемых составах были бы устранены.
Достичь желаемого результата можно введением в состав граммонита 79/21 калиброванного гранулотола с обязательным выполнением следующих условий:
- минимальный диаметр гранулы гранулотола должен превышать максимальный линейный размер межгранульного пространства, образуемого четырьмя гранулами аммиачной селитры;
- суммарная масса четырех гранул АС должна быть равной, а лучше значительно большей, чем масса одной гранулы гранулотола.
Соблюдение перечисленных условий позволит ограничить свободу перемещения гранул «-тринитротолуола в общей массе гранулированной аммиачной селитры, свести к минимуму контакт частиц гранулотола с трущимися и вращающимися поверхностями исполнительных органов зарядных машин и механизмов, а также внутренними поверхностями зарядных шлангов, что, в свою очередь, позволит избежать образования «корок» из подплавленного, а впоследствии остывшего тротила в смеси с пылью истираемых гранул аммиачной селитры малого диаметра.
Схематично, в идеальном случае, структура вновь разрабатываемого ВВ - граммонита 21ТМЗ должна напоминать структуру своеобразной достаточно жесткой кристаллической решетки, изображенной на рисунке 1.
• - схематичное изображение гранул «-тринитротолуола;
О - схематичное изображение гранул аммиачной селитры
Рисунок 1 - Схема идеальной структуры граммонита 21ТМЗ
Для изготовления практически всех типов гранулированных ВВ используют селитру аммиачную гранулированную марок А или Б, получаемую в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 2-85, а также водоустойчивую гранулированную аммиачную селитру марки ЖВГ, производимую в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 14702-79 и содержащую в своем составе водоотталкивающую смесь жирных кислот при массовой доле 0,3 - 0,4 % в отличие от гранулированной АС по ГОСТ 2-85.
С целью увеличения скорости детонации при взрывном дроблении крепких и скальных пород в процессе изготовления гранулированных ВВ используют пористые марки гранулированной АС, изготавливаемые отечественной промышленностью по ТУ 2143-635-00209023-99, или другие марки пористой гранулированной аммиачной селитры, в том числе импортного производства, по документации предприятия-изготовителя (фирмы-изготовителя). Применение пористых марок гра-
нулированной аммиачной селитры может быть частичным (в смеси с аммиачной селитрой по ГОСТ 2-85 в любом соотношении) или индивидуальным.
Гранулометрический состав аммиачной селитры несколько различается по маркам, но, тем не менее, подавляющее количество (до 95 %) гранул аммиачной селитры имеет диаметр в пределах от 1,0 до 4,0 мм. Из них до 80 % составляют гранулы диаметром от 2,0 до 4,0 мм и, соответственно, 20 % - гранулы АС диаметром менее 2,0 мм.
Гранулотол изготавливается отечественной промышленностью в соответствии с техническими требованиями [1] из расплава «-тринитротолуола марок А и Б. Марки А и Б различаются между собой значениями температуры кристаллизации - 80,0 оС для марки А и 77,5 оС для марки Б. Значения температуры кристаллизации продукта характеризуют наличие и количество примесей нестабильных изомеров тринитротолуола (Д у, п, £ и 3). Чем выше температура кристаллизации, тем чище и стабильней продукт в течение всего времени его хранения. Наличие примесей снижает взрывчатые показатели тротила и повышает его чувствительность к механическим и тепловым воздействиям, а также чувствительность к электростатическим разрядам.
Диэлектрические свойства и показатели пожаро- и взрывобезопасности гранулотола характеризуются значениями:
удельное электрическое сопротивление, Ом-м 107...10-9
относительная диэлектрическая проницаемость 2,1
минимальная энергия воспламенения пылевоздушной
смеси при ее оптимальной концентрации 6 кг/м , мДж 2,8
Из приведенных сведений видно, что гранулотол является диэлектриком и способствует накоплению зарядов статического электричества в процессе изготовления и/или механизированного заряжания ВВ, а также способствует налипанию продукта на исполнительные органы машин и механизмов как при изготовлении ВВ, так и при его заряжании.
Гранулометрический состав гранулотола марок А и Б также одинаков и характеризуется следующими значениями, %:
проход гранул через сито № 5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 50
остаток гранул и их сростков на сите с сеткой № 10
по ГОСТ 3826-82 Не более 3
Плотность монокристалла, г/см :
«-тринитротолуола 1,663
аммиачной селитры 1,725
Несмотря на то, что плотность монокристалла аммиачной селитры больше, чем плотность монокристалла «-тринитротолуола, насыпная плотность перечисленных гранулированных веществ, указанная в нормативной документации на компоненты, соответственно равна, г/см : для гранулотола 0,9...1,0
для гранулированной аммиачной селитры 0,8.0,9
3
Соотношение насыпных плотностей максимальной для гранулотола (р = 1,0 г/см ) и минимальной для гранулированной аммиачной селитры (р = 0,8 г/см3) составляет 1,25.
Расчет массы гранул для каждого из компонентов граммонита 21ТМЗ, разрабатываемого
взамен существующего граммонита 79/21, проводился с учетом плотности монокристаллов
«-тринитротолуола и аммиачной селитры, соотношения их насыпных плотностей, а также соотношения их массовых долей по формулам:
т = V' р, (1)
где V - объем гранулы, см3;
р - плотность монокристалла компонента, г/см3.
тгр = 1,25 ■ mac, (2)
где тгр - масса гранулы гранулотола, г;
тас - масса гранулы аммиачной селитры, г.
Результаты произведенных расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Наиболее предпочтительные варианты гранулометрического состава
компонентов в рецептуре граммонита 21ТМЗ с учетом насыпной плотности компонентов
№ п/п Номер сетки по ГОСТ 3826-82 Суммарная масса четырех гранул аммиачной селитры 10- , г Номер сетки по ГОСТ 3826-82 Масса гранулы гранулотола 10-2, г
1 2 18,5 3,2 22,78
2 2,2 24,62 3,2 22,78
3 2,5 36,13 3,5 29,93
4 2,2 24,62 3,5 29,93
Примечание. Диаметр гранул компонентов подобран с учетом размеров ячеек стандартных сит, изготавливаемых в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 3826-82, гранулометрического состава гранулотола по ГОСТ 25857-83 и аммиачной селитры по ГОСТ 2-85.
Из данных таблицы 1 видно, что наиболее предпочтительными вариантами для компоновки граммонита 21ТМЗ являются варианты 2 и 3.
Вследствие того, что разница между суммарной массой четырех гранул АС и массой гранулы гранулотола значительно больше в варианте 3, чем в варианте 2, а рассев гранулотола на сите с сеткой № 3,2 по ГОСТ 3826-82 является более трудоемким, чем рассев на сите № 3,5 по ГОСТ 3826-82, что связано с диэлектрическими свойствами продукта, то самым целесообразным является изготовление граммонита 21ТМЗ с использованием компонентов с гранулометрическими характеристиками, представленными в варианте 3 таблицы 1.
Еще одним важным условием безаварийного применения разрабатываемого граммонита 21ТМЗ при взрывных работах с механизированным заряжанием является условие, при котором минимальный размер гранулы гранулотола должен превышать максимальный линейный размер межгранульного пространства, образуемого четырьмя гранулами аммиачной селитры диаметром 2,5 мм в случае идеальной структуры взрывчатого вещества, изображенной на рисунке 1.
Согласно экспериментальным данным, минимальный линейный размер межгранульного пространства гранул АС колеблется в пределах 1,0 - 1,25 мм.
Вероятность наступления события, при котором структура взрывчатого вещества будет идеальной, как идеальной будет и сферическая форма гранул АС, чрезвычайно мала. К тому же
получение гранул гранулотола указанного размера и менее в процессе гранулирования расплавленного «-тринитротолуола весьма проблематично. Это обусловлено размером фильер, формирующих капли расплава определенного диаметра, технологией гранулирования (непосредственно в воду после каплеобразования), а также значением сил поверхностного натяжения расплава тротила и его вязкостью.
На основании изложенного и с учетом мнения разработчиков граммонита 21ТМЗ контроль минимального диаметра гранул гранулотола осуществлять не имеет смысла, тем более что техническими требованиями [2] предусмотрен контроль гранулометрического состава изготовленного взрывчатого вещества в целом.
Граммонит 21ТМЗ изготовлен с использованием в составе калиброванных компонентов:
1) гранулотола с фракцией:
проход через сито № 3,5 по ГОСТ 3826-82, % Не менее 100
2) гранулированной аммиачной селитры с гранулометрическим составом:
остаток на сите с сеткой № 4 по ГОСТ 3826-82, % Не более 3
остаток на сите с сеткой № 2,5 по ГОСТ 3826-82, % Не менее 95
Исследования эксплуатационных (взрывчатых) показателей и характеристик безопасности применения разработанного граммонита 21ТМЗ проведены согласно стандартам и по методикам, предназначенным для оценки параметров безопасности и эксплуатационных свойств ВВ. Неконтролируемые расчетные характеристики определены по методам расчетов, изложенным в технической литературе. Результаты испытаний граммонита 21ТМЗ приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Показатели безопасности и эффективности действия граммонита 21ТМЗ
Показатель Значение показателя
Теплота взрыва, кДж/кг (ккал/кг) 4291 (1025)
Объем газов взрыва, л/кг, в том числе токсичных, в пересчете 895
на оксид углерода (II) 4 О 5 о
Кислородный баланс, % + 0,02
Тротиловый эквивалент по теплоте взрыва (От = 4186 кДж/кг) 1,02
Насыпная плотность, г/см3 ,9 0, ,8 0,
Скорость детонации, км/с 3,2.3,5
Критическая плотность, г/см3 1,45
Рекомендуемая плотность механизированного заряжания, г/см3 1,00.1,25
Критический диаметр детонации открытого заряда в бумажной оболочке, мм 80.90
Критический диаметр детонации в стальной трубе диаметром 30х3 по ГОСТ 8732-78 при плотности 1,00-1,10 г/см3, мм 24
Бризантность в стальном кольце при насыпной плотности по гОсТ 5984-99, мм 20.25
Фугасность по ГОСТ 4546-88, см3 360.370
Чувствительность к удару по ГОСТ 4545-88: нижний предел в приборе 2, мм 500
частость взрывов в приборе 1, % 4.12
Чувствительность к трению при ударном сдвиге на приборе К-44-3 по ГОСТ Р 50835-95: нижний предел, МПа (кгс/см ) 490 (5000)
Чувствительность к инициирующему импульсу ЭД, КД, ДШ Недостаточно чувствителен
Удельное электрическое сопротивление, Омм 107.109
Минимальная энергия воспламенения пылевоздушной смеси тротила, мДж 2,8
Результатами выполненных и изложенных в настоящей статье исследований доказано, что для исключения налипания заряжаемого продукта на внутренних поверхностях зарядных шлангов и поверхностях исполнительных органов зарядных машин и механизмов необходимо использовать следующие материалы:
1) селитру аммиачную гранулированную марок А или Б (высший сорт) [3] или селитру аммиачную водоустойчивую марки ЖВГ [4], или пористую гранулированную аммиачную селитру [5], или другие марки гранулированной аммиачной селитры с характеристиками не ниже указанных, в том числе импортного производства, по документации предприятия-изготовителя, или их смесь в любых соотношениях с гранулометрическим составом, %:
остаток на сите с сеткой № 4 по ГОСТ 3826-82 Не более 3
остаток на сите с сеткой № 2,5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 95
2) гранулотол марок А и Б по ГОСТ 25857-83 с гранулометрическим составом, %:
проход через сито № 3,5 по ГОСТ 3826-82 Не менее 100
Взрывчатые показатели, расчетные характеристики и свойства безопасности граммонита 21ТМЗ не уступают аналогичным параметрам существующего граммонита 79/21, изготавливаемого в соответствии с техническими требованиями [6] или [7]. Результаты исследований включены в Технические условия [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ГОСТ 25857-83. Гранулотол. Технические условия.
2 ТУ 7276-005-07511005-2010. Вещества взрывчатые промышленные. Граммонит 21ТМЗ. Технические условия.
3 ГОСТ 2-85. Селитра аммиачная. Технические условия.
4 ГОСТ 14702-79. Селитра аммиачная марки ЖВГ. Технические условия.
5 ТУ 2143-635-002090023-99. Аммиачная селитра гранулированная пористая. Технические условия.
6 ГОСТ 21988-76. Вещества взрывчатые промышленные. Граммониты. Технические условия.
7 ТУ 84-08628424-814-2005. Вещества взрывчатые промышленные. Граммониты 79/21 и 30/70. Технические условия.
SAFE USAGE OF TROTYL-CONTAINING GRANULAR EXPLOSIVES OF II CLASS AIMED AT FORMATION OF BOREHOLE AND CHAMBER CHARGES
D.N. Batrakov, K.Yu. Varnakov
Possibility of safe usage of trotyl-containing explosives aimed at mechanized, including pneumatic, boreholes and chambers charging in ubderground conditions of mines not dangerous for gas or dust is considered.
Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EXPLOSIVES, BLAST WORKS, GRAMMONITE, GRANULOTO-LITE, GRANULAR AMMONIUN NITRATE, GRANULOMETRIC COMPOSITION
Батраков Дмитрий Николаевич E-mail: vostnii-bvr@yandex.ru Варнаков Кирилл Юрьевич E-mail: vostnii-bvr@yandex.ru
