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: vostnii-bvr@yandex.ru
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: vostnii-maf@mail.ru
dangerous for gas or dust
Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EMULSION EXPLOSIVES, BLAST Варнаков
WORKS, EMULSION MATRIX Кирилл Юрьевич
е-mail: exteel@ngs.ru
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.