Научная статья на тему 'Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов'

Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
568
75
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕЗОПАСНОСТЬ / ЭФФЕКТИВНОСТЬ / ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА / ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ / ГРАММОНИТ / ГРАНУЛОТОЛ / ГРАНУЛИРОВАННАЯ АММИАЧНАЯ СЕЛИТРА / ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ / SAFETY / EFFICIENCY / EXPLOSIVES / BLAST WORKS / GRAMMONITE / GRANULOTOLITE / GRANULAR AMMONIUN NITRATE / GRANULOMETRIC COMPOSITION

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Батраков Дмитрий Николаевич, Варнаков Кирилл Юрьевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Батраков Дмитрий Николаевич, Варнаков Кирилл Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Safe usage of trotyl-containing granular explosives of II class aimed at mechanized formation of borehole and chamber charges1OAO "Sc

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.

Текст научной работы на тему «Безопасность применения тротилсодержащих гранулированных взрывчатых веществ II класса, предназначенных для механизированного формирования шпуровых, скважинных и камерных зарядов»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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: [email protected] Варнаков Кирилл Юрьевич E-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.