CC BY
151
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
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ II КЛАССА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ ШПУРОВЫМИ ЗАРЯДАМИ МАЛОГО ДИАМЕТРА
Рассматриваются теоретические аспекты создания эффективных и безопасных эмульсионных взрывчатых составов II класса, способных детонировать в шпуровых зарядах малого диаметра на земной поверхности и в подземных выработках шахт, не опасных по газу или пыли.
Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭМУЛЬСИОННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ЭМУЛЬСИОННАЯ МАТРИЦА
Анализ разработок эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), проведенный исследовательскими организациями, занимающимися вопросами взрывного дела, показал, что на сегодняшний день в России не существует эмульсионных взрывчатых веществ, способных детонировать в патронах малого диаметра, которые бы по своим эксплуатационным и взрывчатым характеристикам могли сравниться со штатным аммонитом № 6ЖВ [1].
Все предпринятые попытки замены патронированного аммонита № 6ЖВ до настоящего времени не принесли положительного результата. Причина неудач в том, что все предлагаемые на замену новые эмульсионные взрывчатые вещества, как правило, содержат в составе эмульсионной матрицы не менее 10,0 % воды, что в конечном итоге снижает тротиловый эквива-
лент ЭВВ до значений 0,73-0,78. Такого значения показателя эффективности действия взрыва совершенно недостаточно для дробления горных пород крепостью до 20 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. ОАО «НЦ ВостНИИ» имеет достаточно большой опыт разработок эмульсионных ВВ и не без основания считает, что создание мощных эмульсионных ВВ с достаточно малым критическим диаметром 1218 мм и скоростью детонации 4,55,5 км/с возможно только на основе безводных или (как промежуточный вариант) на основе маловодных эмульсионных матриц.
Создание безводных эмульсионных матриц возможно при использовании в их составе в качестве окислительной фазы безводной легкоплавкой эвтектики бинарной смеси аммиачной и натриевой селитры, изготавливаемых отечественной
промышленностью в соответствии с существующей нормативной документацией [2, 3] соответственно. При этом значение массовых долей компонентов в эвтектическом расплаве окислителя составит, %:
• селитра аммиачная - 79,0;
• селитра натриевая - 21,0.
В качестве углеводородной фазы при создании безводных эмульсий целесообразно использование индустриального масла в смеси с эмульгатором в соответствующих пропорциях. Температура вспышки и плотность эмульгаторов вполне сопоставимы с аналогичными показателями индустриальных масел, а создание безводных или маловодных эмульсий на основе уже известных и хорошо зарекомендовавших себя компонентов вполне реально.
Как известно, добавление воды существенно снижает температуру
кристаллизации окислительной фазы. Но в данном случае массовая доля воды в составе эмульсионной матрицы и в конечном итоге в составе приготовленного эмульсионного взрывчатого вещества в целом должна быть как можно малой, поскольку оказывает прямое влияние на теплоту взрыва и детонационные показатели эмульсионного взрывчатого вещества.
Для данной цели была исследована температура кристаллизации смесей NH4NO3/NaNO3/H2O. Результатами исследований установлено, что при содержании 10,0 % воды наименьшую температуру кристаллизации (74 оС) имеет раствор, содержащий N^N0^ - 69,0 % и NaN03 - 21,0 %.
Для дополнительного снижения температуры кристаллизации окислительной фазы эмульсионной матрицы были изучены добавки подходящих недефицитных соединений - карбамида, уротропина, ацетамида. При этом наиболее перспективным из перечисленных компонентов оказался карбамид СЮ^Н2)2, образующий легкоплавкие эвтектические смеси как с аммиачной, так и с натриевой селитрой. Преимущества карбамида заключаются в существенном снижении температуры кристаллизации совместных растворов с указанными окислителями. Кроме того, по сравнению с показателями для жидких нефтепродуктов карбамид содержит в семь раз меньше углерода (массовая доля 12,0 %) и в два раза больше химически связанного водорода (Н2/С = 2 моль/моль).
Использование добавки карбамида в составе окислительной фазы позволяет уменьшить массовую долю воды в составе эмульсионной матрицы без повышения температуры кристаллизации (не более 74 оС).
Поскольку традиционно эмульсионные взрывчатые вещества, разрабатываемые ОАО «НЦ ВостНИИ», относятся к классу смесевых, то необходимо контролировать кислородный баланс (КБ) компонентов ЭВВ, одним из которых является эмульсионная матрица. Кислородный баланс - один из наиболее значимых показателей, определяющих эксплуатационные и взрывчатые свойства промышленных взрывчатых веществ. Для создания смесевого эмульсионного промышленного взрывчатого вещества с кислородным балансом, близким к нулевому значению, необходимо осуществить добавку окислителя к эмульсионной матрице, имеющей, как правило, отрицательный кислородный баланс. При этом необходимо иметь в виду, что введение твердых абразивных компонентов в эмульсионную матрицу в процессе перемешивания с целью достижения равномерности распределения компонентов по объему ЭВВ может разрушать микроскопические капли в структуре эмульсии и вызывать коалесценцию.
Для ЭВВ II класса вопросы достижения максимальной скорости детонации и максимального расстояния передачи детонации между двумя испытуемыми патронами являются определяющими, вследствие чего состав смесевых эмульсионных взрывчатых веществ должен представлять собой стехиометрическую смесь или, по крайней мере, смесь с кислородным балансом, близким к нулевому значению.
Известно, что для аммиачно-селитренных ВВ, не содержащих энергетических добавок (алюминий, ферросилиций), и мощных индивидуальных ВВ (тротил, ни-трамины и т.п.) расчетная теплота реакций взрывчатого превращения
будет максимальной, а количество выделяемых при этом токсичных составляющих продуктов взрыва -минимальным именно при нулевом КБ (для стехиометрических взрывчатых смесей) [4].
При изготовлении сбалансированной по кислороду взрывчатой смеси с использованием сухих сыпучих компонентов достигается еще один положительный эффект, связанный со снижением плотности взрывчатого состава, что повышает чувствительность ЭВВ к взрывному импульсу первичных средств ини -циирования, а также уменьшает общую массовую долю воды в эмульсионном ВВ. Уменьшение массовой доли воды во взрывчатом составе автоматически снижает расход тепла на ее парообразование и нагрев паров до температуры начала их расширения, за счет которого производится работа по разрушению взрываемого горного массива.
Расчетная теплота взрыва эмульсионных взрывчатых составов с массовой долей воды в составе 5,08,0 %, с кислородным балансом, близким к нулевому значению, достигает 790-800 ккал/кг при расчетном объеме газов, выделяющихся при взрыве, 850-900 л/кг.
С учетом теплоты растворения компонентов, поглощаемой раствором окислительной фазы при изготовлении эмульсионной матрицы и также выделяемой при взрыве, равной примерно 50 ккал/кг, фактическая теплота взрыва в тротиловом эквиваленте выразится значением ~0,85-0,87. Дальнейшее увеличение теплоты взрыва ЭВВ до 850900 ккал/кг на основе карбамидсодержащих растворов окислителей возможно при введении в окислительный плав добавок перхлоратов: КСЮ4, NaCЮ4, N^^0^ также образующих эвтектические смеси с
селитрами и карбамидом, или при введении в состав ЭВВ энергетических добавок.
Для приобретения взрывчатых свойств эмульсионные взрывчатые составы необходимо сенсибилизировать. Способ сенсибилизации ЭВВ определяется в основном специфическими условиями промышленного применения взрывчатых составов, требованиями к сохранению взрывчатых характеристик в течение гарантийного срока хранения (ГСХ) в условиях складов ВМ, а также некоторыми другими условиями.
Существуют два апробированных способа сенсибилизации, хорошо зарекомендовавших себя в промышленности:
• химический - с помощью введения в состав растворов порофоров - водного раствора нитрита натрия, образующего в результате химических реакций с одним или несколькими компонентами в составе ЭВВ микроскопические газовые пузырьки, располагающиеся и сохраняющиеся в течение ГСХ в масляной фазе;
• механический - с помощью введения в состав ЭВВ стеклянных, поли-стирольных, фенолформальдегид-ных, алюмосиликатных микросфер или вспененного перлитового песка.
Для проектируемых эмульсионных взрывчатых веществ II класса по условиям применения сенсибилизация составов с помощью поли-стирольных и алюмосиликатных микросфер и вспененного перлитового песка является нежелательной.
Эмульсионные взрывчатые вещества II класса, предназначенные для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами малого диаметра, по мнению специалистов ОАО
«НЦ ВостНИИ», предпочтительнее сенсибилизировать комбинированным способом - с использованием водного раствора нитрита натрия в сочетании со стеклянными или полимерными микросферами, причем указанные компоненты должны быть взяты в пропорциях, обеспечивающих значения нормируемой плотности ЭВВ, равной 1,00 -1,20 г/см3. Конкретные значения нормируемой плотности определяются значениями плотности эмульсионной матрицы и плотности эмульсионной матрицы с добавками, регулирующими массовую долю воды, кислородный баланс и теплоту взрыва.
Применение комбинированного способа сенсибилизации удешевит эмульсионный взрывчатый состав при одновременном сохранении чувствительности к взрывному импульсу первичных средств инициирования и обеспечит стабильность ЭВВ в течение всего гарантийного срока хранения.
Предварительные опыты по определению взрывчатых свойств экспериментальных составов эмульсионных ВВ, выполненные в лабораторно-полигонных условиях ОАО «НЦ ВостНИИ», показали:
1 Добавка 3,0 % карбамида в окислительную фазу ЭВВ на моноселитре N^N0.3 (15,0 % воды, масло + эмульгатор = 3,0 % + 2,0 %) снижает температуру кристаллизации раствора и улучшает детонационные характеристики конечного взрывчатого вещества.
Были приготовлены два образца эмульсионной матрицы с добавкой 3,0 % карбамида. После проведения сенсибилизации составов введением раствора газогенерирующей добавки образцы свежеприготовленных ЭВВ испытывались на бризантность в стальном кольце по видоизмененной пробе Гесса:
свежеприготовленные:
Ah = 27,9 и 28,5 мм;
через 6 сут выдержки:
Ah = 26,0 и 26,5 мм.
Скорость детонации свежеприготовленного ЭВВ в стальной трубе с внутренним диаметром 40 мм и толщиной стенки 2,5 мм:
П = 4,56 км/с.
2 Экспериментально установлено, что газогенерированные эмульсионные ВВ проявляют заметные взрывчатые свойства вплоть до содержания 15,0 % карбамида в окислительной фазе.
3 В другой серии экспериментов были приготовлены безводные эмульсии, в которых в качестве окислительной фазы был использован безводный расплав с нулевым КБ при соотношении компонентов: NH4N03/NaN03/C0(NH2)2 как 60/15/25.
Температура кристаллизации при содержании горючей углеводородной фазы 7,0 % составила приблизительно 90 оС. Бризантность безводного ЭВВ с КБ = - 23 % в стальном кольце от 10 г аммонита № 6ЖВ составила Ah = 17 мм.
Сенсибилизирующее действие добавок карбамида может объясняться тем, что присутствие карбамида в составе микрокапель окислительной фазы уменьшает затраты на разложение окислителей по причине присутствия в той же фазе горючего компонента, молекулярно гомогенизированного с раствором солей окислителей.
4 Дальнейшие исследования экспериментальных составов с использованием добавки карбамида с различными массовыми долями в составе окислительной фазы по-
казали целесообразность сенсибилизации ЭВВ комбинированным способом - при добавлении стеклянной микросферы с массовой долей до 2,5 % и газогенерирующей добавки, приготовленной согласно техническим требованиям ТУ 7276-077-00173769-2010 [5] при массовой доле 2,0 % сверх 100 %
ЭВВ. При этом плотность экспериментальных составов испытуемых ЭВВ составляла р = 1,18 г/см3 и р =
1,11 г/см3. Инициирование подготовленных зарядов осуществлялось электродетонаторами мгновенного действия. Испытания проведены на полноту детонации зарядов и на чувствительность к взрывному импульсу первичных средств инициирования.
Результат испытаний - экспериментальные составы при нормируемых плотностях в диапазоне р = 1,111,18 г/см3 чувствительны к взрывному импульсу первичных средств инициирования. Остатков ЭВВ и гильз патронов диаметром 30 мм и более на местах расположения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ГОСТ 21984-76 Вещества взрывчатые промышленные. Аммонит № 6ЖВ и аммонал водоустойчивые. Технические условия.
2 ГОСТ 2-85 Селитра аммиачная. Технические условия.
3 ГОСТ 828-78 Натрий азотнокислый технический. Технические условия.
4 Бересневич, П.В. Вредные примеси при массовых взрывах /П.В. Бересневич // Безопасность труда в промышленности. - Сб. № 8. -М.: Недра, 1990. -188 с.
5 ТУ 7276-077-00173769-2010 Вещества взрывчатые промышленные. Эмуласт АС-25П. Технические условия.
THE THEORETICAL BASIS FOR CLASS II EMULSION EXPLOSIVES Варнаков
CREATION INTENDED FOR CONDUCTING BLASTING BORE-HOLE Юрий Владимирович
CHARGES OF SMALL DIAMETER е-mail: [email protected]
Yu.V. Varnakov, A.F. Makarov, K.Yu. Varnakov
The creation theoretical aspects are reviewed of safe and effective class Макаров
II emulsion explosive compositions capable to detonate in small diameter Андрей Фадеевич
bore-hole charges on the earth's surface and in underground mines, not е-mail: [email protected]
dangerous for gas or dust
Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EMULSION EXPLOSIVES, BLAST Варнаков
WORKS, EMULSION MATRIX Кирилл Юрьевич
е-mail: [email protected]
зарядов и вблизи места взрыва не обнаружено.
Выводы и рекомендации
1 Для изготовления эмульсионных взрывчатых веществ, предназначенных к использованию в качестве шпуровых, скважинных и камерных зарядов как на земной поверхности, так и в условиях подземных выработок шахт, не опасных по газу или пыли, можно использовать компоненты отечественных предприятий-производителей, кроме селитры, содержащей диспергатор НФ.
2 Расчетная теплота взрыва эмульсионных взрывчатых составов с массовой долей воды в составе 5,0-8,0 % с кислородным балансом, близким к нулевому значению, достигает 790-800 ккал/кг при расчетном объеме газов, выделяющихся при взрыве, 870- 900 л/кг. С учетом теплоты растворения компонентов, поглощаемой раствором окислительной фазы при изготовлении эмульсионной матрицы и также выделяемой при взрыве, равной
примерно 50 ккал/кг, фактическая теплота взрыва в тротиловом эквиваленте выразится значением приблизительно 0,85-0,87.
3 Экспериментальные эмульсионные взрывчатые составы с добавкой карбамида в диапазоне нормируемых плотностей р=1,11-1,18 г/см3 устойчиво детонируют в патронах диаметром 30 мм и более, являются чувствительными к взрывному импульсу первичных средств инициирования.
4 Испытанные экспериментальные составы эмульсионных взрывчатых веществ с добавкой карбамида в окислительную фазу являются перспективными. Целесообразно продолжить работы по их доработке и допуску к постоянному применению в производственных условиях горнодобывающих предприятий для формирования шпуровых зарядов малого диаметра как на земной поверхности, так и в условиях подземных выработок шахт, не опасных по газу или пыли.
