CC BY
47
УДК 662.24, 662.2.036
Н. А. Покалюхин, С. А. Кабиров, А. А. Ибрагимов, Р. А. Ибрагимов
ГРАНУЛИРОВАННОЕ ПРОМЫШЛЕННОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО «ДИТОЛАН-С»
ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СУЛЬФИДНЫХ РУД
Ключевые слова: промышленное взрывчатое вещество, аммиачная селитра, динитротолуол, нейтрализация кислоты, взрывчатые характеристики, термостабильность, сульфидные руды.
В статье приведены результаты исследований по созданию рецептуры нового аммиачно-селитренного промышленного взрывчатого вещества «ДИТОЛАН-С» и его модификаций СГ1 и СГ2 для открытых и подземных работ, в том числе для разработки сульфидных руд. Выполнены обоснование методики и алгоритма расчёта содержания индивидуальных и смесевых нейтрализаторов кислоты. Исследованиями термостабильности образцов состава показана их устойчивость к действию агрессивной среды сульфидных руд. Экспериментальные исследования и расчет взрывчатых характеристик показали, что по детонационной способности и уровню работоспособности «ДИТОЛАН-С» и его модификации не уступают многим штатным тротилсодержа-щим промышленным взрывчатым веществам, а по уровню безопасности превосходят их. Промышленные испытания модификаций СГ1 и СГ2 с использованием пневмозаряжания шпуров в подземных выработках показали их удовлетворительную эффективность.
Key words: industrial explosive, ammonium nitrate, dinitrotoluene, deacidification, explosive characteristic, thermal stability, sulfide ore.
The article presents research results for the creation of components of a new ammonium nitrate industrial explosive "DITOLAN-S" and its modification SG1 and SG2 for surface and underground works, including sulphide ore. The recyclable dinitrotoluene is used as the main fuel component. Submitted study methodology and algorithm for calculating the content of individual and mixed acid neutralizers. The research shows the thermal stability of the composition of samples resistance to aggressive environment of sulphide ores. Experimental study and calculation of explosive characteristics showed that the detonation ability and performance level "DITOLAN-S" and its variants do not concede many staff trotyl PVV and the safety level of their superior.Industrial testing modifications SG 1 and SG2 using a pneumatic loading of holes in underground mines have shown their satisfying efficiency.
К настоящему времени имеется потребность в промышленных взрывчатых веществах (ПВВ) специального класса для взрывания сульфидных руд [1] в связи с наблюдаемой тенденцией увеличения объемов разработки таких месторождений [2].
Специфика работ в этих условиях состоит в том, что нужно учитывать химическое взаимодействие ПВВ с горными породами и грунтовыми водами. Известны случаи самопроизвольных взрывов в скважинах, заряженных ПВВ на основе аммиачной селитры (АС) [3]. Предполагаемой причиной взрывов является химическое взаимодействие компонентов (в основном АС) с пылью сульфидов и самородной серой в сильнокислой среде, сопровождающееся накоплением тепла самовоспламенением взрывчатых вещеста (ВВ) с последующей детонацией [4, 5]. Для предотвращения химического взаимодействия компонентов с сульфидной средой в составы ПВВ необходимо вводить стабилизаторы [5].
К настоящему времени основной ассортимент аммиачно-селитренных ПВВ, устойчивых к агрессивной сульфидной среде, создан в АО «ГосНИИ «Кристалл» и включает гранулит АС-М (ТУ 84-108086), гранулированные составы на основе гранулото-ла: граммонит ТММ, граммотол Т-18М и водосодер-жащее ВВ акватол Т-20ГМ [6]. По ряду причин не все они получили широкого применения. Другие разработки также основаны на использовании в рецептурах гранулотола, обусловливающего повышенную чувствительность к механическим воздействиям и высокую стоимость таких ПВВ.
В связи с изложенным создание безопасного и недорогого гранулированного ВВ для разработки сульфидных руд является актуальной задачей.
Поставленная задача решалась компоновкой состава из невзрывчатых компонентов. За основу принята рецептура ПВВ «Дитолан» [7], включающая гранулированную АС 88,5%, минеральное масло 2,3% и, длительное время хранящийся на складах предприятий ВПК литой динитротолуол (ДНТ) 9,2 %. С целью повышения детонационной способности и снижения замасливания внутренней поверхности зарядных шлангов при пневмозаряжании, являющейся причиной образования «пробок» в шлангах, в окислительной части нового состава использовалась смесь плотной и пористой АС. Для предотвращения химического взаимодействия компонентов с сульфидной средой в состав вводились стабилизаторы (нейтрализаторы кислоты).
При применяемой на подземных горных работах технологии заряжания, гранулированные ВВ подают в скважину с помощью пневмозарядчика в увлажнённом виде. При этом часть гранул АС, перемещаясь с высокой скоростью транспортирования, разрушается и смешивается с находящейся на поверхности стенки скважины буровой мелочью и продуктами окисления сульфидов. Установлено, что количество буровой мелочи на 1 м скважины диаметром 100 мм может достигать 100 г. При ее смешивании с ВВ существенно увеличивается площадь их контакта и соответственно реакционная способность смеси [8].
Содержание стабилизатора т^*, %, рассчитывалось по формуле:
mN _ т™°3
1 с n • М
■Мс
(1)
HNO3
где MHNO3 и Mc - молекулярные массы азотной кислоты и стабилизатора, соответственно; п - число молей азотной кислоты в уравнении реакции нейтрализации; тНм03- количество азотной кислоты, реагирующей с пиритом, содержащимся в gбур=100 г буровой мелочи, %.
m
m
FeS2
'8M
HNO3
HNO3
2M
(2)
FeS2
где 8 и 2 - числа молей азотной кислоты и пирита, соответственно, в уравнении экзотермической реакции их взаимодействия 2FеS2 + 8НNO3 = Fе2(SО4)3+ 8NO+4Н2O+S°+Q; МРе32 - молекулярная масса пирита; Мреэ2 - содержание пирита в смеси ВВ+ буровая мелочь, %.
_ дбур
m
FeS2
Gee+g
ФЧ00%,
(3)
бур
где у - массовая доля пирита в буровой мелочи (у =0,7 по данным ОАО «Учалинский ГОК»); GВВ -масса заряда ВВ, находящегося на участке скважины высотой 100 см, диаметром 10 см, при плотности заряжания 1,0 г/см3.
В таблице 1 представлены результаты расчета содержания в композиции индивидуальных и смесевых стабилизаторов.
Таблица 1 - Содержание и стабилизаторов
рецептура
Стабилизатор Содержание стабилизатора, % (сверх 100 %) Содержание компонентов, %
органич. неорганич.
MgO 0,59 0 100
Са(ОН)2 1,09 0 100
СаСО3 1,47 0 100
Мочевина(МН2)2ГО 1,76 100 0
Уротропин CsH12N4 4,12 100 0
Дифениламин(ДФА) 4,97 100 0
(NH2)2CO+MgO 1,37+0,13=1,5 91,33 8,67
(]да2)2ГО+Са(ОН)2 1,08+0,42=1,5 72 28
(ЧН2)2СО+СаСО3 0,18+1,32=1,5 12 88
CeH12N4+MgO 1,06+0,44=1,5 70,67 29,33
СбН12Н,+Са(ОН)2 0,56+0,94=1,5 37,33 62,67
CgH-i ^4+СаСО3 0,05+1,45=1,5 3,33 96,67
ДФА+MgO 1,03+0,47=1,5 68,67 31,33
ДФА+Са(ОН)2 0,53+0,97=1,5 35,33 64,67
ДФА+СаС03 0,04+1,46=1,5 2,67 97,33
Исследование термостабильности по «Методике испытаний термохимической стабильности ВВ на основе аммиачной селитры» ОАО «Унипромедь» [3, 9] с использованием йодкрахмальной пробы выявило удовлетворительную устойчивость опытных образцов к действию сульфидной среды. Ни в одном образце, содержащем стабилизатор, повышения температуры и выделения окислов азота не обнаружено. Полученные данные свидетельствуют о термохимической стабильности «ДИТОЛАНа-С».
Исследовано влияние на взрывчатые характеристики «ДИТОЛАНа-С» типа и содержания нейтрализатора кислоты. В зависимости от типа введение нейтрализатора до 1,5% снижает теплоту взрыва и относительную работоспособность на 0,59-4,68% и 0,623,64%, соответственно. Влияние количественного содержания стабилизатора рассмотрено на примере мочевины. С увеличением содержания мочевины до 2% относительное снижение теплоты взрыва составляет в среднем 4,45%, относительной работоспособности 3,45%, удельный объём продуктов взрыва при этом возрастает линейно на 1,16%.
Исследованиями детонационной способности «ДИТОЛАНа-С» установлено, что увеличение содержания пористой АС от 0 до 100% снижает критический диаметр детонации (рис. 1). При этом профиль данной зависимости носит ступенчатый характер. Визуально соответствующие перегибы кривых просматриваются и на зависимостях для плотности заряда и скорости детонации
95 85 75 ¡ 65 -а" 55 45 35 25 15 5
-1-1-1-1- - в картонных оболочках _ - в стальных оболочках
1 1 2
V-
V 1
\
-- . \ V /
\ /
2
„+- /
—
/
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
тПАС> % МаС-
Рис. 1 - Зависимость критического диаметра детонации от содержания пористой АС
Рис. 2 - Зависимость скорости детонации в картонных оболочках диаметром 155 мм от содержания пористой АС
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ш-пдо % мае.
Рис. 3 - Зависимость плотности заряда от содержания пористой АС
Инициирование зарядов в оболочках диаметром 60-100 мм осуществлялось от шашки-детонатора из баллиститного состава диаметром 70 мм. Инициирование зарядов диаметром менее 60 мм осуществлялось от аммонита №6ЖВ, заряд из которого высотой 70-75 мм изготавливался удлинением основного за-
ряда с использованием плотной картонной бумаги. При этом плотность зарядов изменялась от 0,82-0,85 г/см3 до 1,03-1,06 г/см3. Отношение длины заряда без детонатора к внутреннему диаметру оболочки составило для стальных оболочек от 9,6 до 45,0, для картонных оболочек от 8,3 до 14,1. Использование «пластин-свидетелей», большая длина зарядов и достаточно мощное инициирование исключали неоднозначную трактовку режимов превращений опытных образцов ВВ.
Для определения возможности механизированного заряжания шпуров и скважин была изготовлена опытная партия «ДИТОЛАНа-С». Заряжание производилось в стальные трубы длиной 3 м, диаметром 40 и 80 мм, пневмозарядчиком ЗП-2 с использованием зарядных шлангов диаметрами 32 и 63 мм, соответственно. При использовании зарядного шланга диаметром 32 мм после заполнения 3-4 труб заряжание прерывалось из-за образования «пробок» внутри шланга. Зарядными шлангами диаметром 63 мм было заряжено 10 труб, при этом образование пробок не происходило, а лишь небольшое прилипание к стенкам обмасленной массы ВВ. Из результатов испытаний следует, что «ДИТОЛАН-С» пригоден для разработки сульфидных руд с ручным и механизированным заряжанием скважин с использованием зарядных шлангов диаметром не менее 63 мм.
С целью полной адаптации «ДИТОЛАНа-С» к механизированному заряжанию проведена корректировка его физической структуры путём перевода ДНТ в сыпучий материал. Это было достигнуто модификацией ДНТ энергетическими добавками (коллоксилин (НЦ), металлические порошки (МП)) и последующего его гранулирования по водоэмульсионной технологии. Рецептура динитротолуола модифицированного гранулированного (ДМГ): 83-86,5%
Таблица 2 - Физико-химические и взрывчатые хар
ДНТ /3,5-7 % НЦ/ 10% МП. Значения диаметра гранул ДМГ в зависимости от выбранного технологического режима и содержания НЦ лежат в интервале 1,0-3,2 мм.
Вариант состава на основе пористой АС и ДМГ получил название «ДИТОЛАН-СГ». Скомпонованы две его марки с нулевым кислородным балансом: СГ1 с содержанием масла 1,0 % и СГ2 без масла. Стабилизатор вводится сверх 100%.
Критический диаметр детонации состава марки СГ1 с увеличением содержания мела с 0 до 1,5 % (сверх 100%) увеличивается с 42,5-51 мм до 60-65 мм в картонных оболочках и с 5,5 мм до 8,4-10,0 мм в стальных. Критическое содержание мела, при котором в картонной оболочке диаметром 51 мм распространяется критический режим, находится в интервале 0,25-0,50% масс. При замене пористой АС на плотную АС значения критических диаметров детонации в стальных оболочках марок СГ1 и СГ2 плотностью 1,06-1,1 г/см3 лежат в интервале 41-50 мм. Скорость детонации «ДИТОЛАНа-СГ» при плотности заряда 0,8-1,0 г/см3 в картонной трубе диаметром 150 мм составляет 3,20-4,05 км/с, относительная работоспособность 1,02-1,03. В условиях «Учалинского ГОКа» проведены успешные испытания «ДИТОЛА-На-СГ» с использованием пневмозаряжания.
Физико-химические и взрывчатые характеристики предложенных составов представлены в таблице 2.
Таким образом, разработаны ПВВ «ДИТОЛАН-С» и его модификации «ДИТОЛАН-СГ» для ручного и механизированного заряжания, устойчивые к действию агрессивной сульфидной среды и обладающие низкой чувствительностью к механическим воздействиям, достаточно высокими детонационной способностью и относительной работоспособностью.
стики марок ПВВ «ДИТОЛАН-С»
Характеристики С СГ1 СГ2
Кислородный баланс, % от 0 до минус 2,8 минус 0,49 минус 0,45
Теплота взрыва, кДж/кг 3850-4080 4440 4480
Объем газов, л/кг 922-951 895 890
Относительная работоспособность по граммониту 79/21 0,92-0,96 1,02 1,03
Объем газов по CO, л/кг 0-40 6,7-44,8
Насыпная плотность, г/см3 0,80-0,87 0,80-0,87
Плотность заряжания, г/см3 0,82-1,01 0,9-1,0
Скорость детонации (0,8-1,0 г/см3 в карт. трубе 150 мм), км/с 2680-3390 3200-4050
Критический диаметр в картонной трубе, мм 40-55...80-100 50-65
Критический диаметр в стальной трубе, мм 7,5-10,5... 18-23,7 6-10
Температура вспышки (с задержкой 5 с), °С 230-240
Чувствительность к трению на приборе К-44-Ш ОСТ В 84-895: нижний предел, МПа; част. взрывов, % (Рпр =392,3 МПа) 294,2 20
Чувствительность к удару ГОСТ 4545-88 (10кг): частость взрывов в приборчике № 1 (H = 250 мм/500 мм), % № 2 (H = 250 мм/500 мм), % Нижний предел в приборчике № 2, мм 0 / 4 0 / 0 более 500
Примечание: в интервале содержания пористой АС от 0 до 100 %
Заключение предназначенные для ручного и механизированного
заряжания скважин на открытых и подземных рабо-1. Разработан новый взрывчатый состав «ДИТО- Г л.
тах при добыче сульфидных руд.
ЛАН-С» и его модификации «ДИТОЛАН-СГ»,
2. Осуществлен выбор, обоснование и расчет содержания в предложенной композиции индивидуальных и смесевых нейтрализаторов кислоты. Специальными исследованиями термостабильности показана удовлетворительная устойчивость образцов «ДИТОЛАНа-С» и его модификаций к действию агрессивной среды сульфидных руд.
3. Экспериментальными исследованиями и расчетами взрывчатых характеристик образцов опытных композиций, показаны возможности регулирования взрывчатых характеристик в зависимости от рецептурных факторов.
4. По уровню работоспособности «ДИТОЛАН-С» не уступает гранулотолу, а его модификации СГ1 и СГ2 не уступают граммониту 79/21, по уровню безопасности они превосходят имеющиеся штатные ВВ (граммонит 79/21, гранулотол, аммонит № 6ЖВ).
Литература
1. Е. В. Колганов, В. А. Соснин, Взрывное дело, 100, 57, 20-32 (2008).
2. Л. В. Дубнов, Н. С. Бахаревич, А. И. Романов, Промышленные взрывчатые вещества. Недра, Москва, 1988. 357 с.
3. Ю. М. Михайлов, Е. В. Колганов, В. А. Соснин, Безопасность аммиачной селитры и ее применение в промышленных взрывчатых веществах. ООО «Партнер-плюс», Дзержинск, 2008. 304 п.
4. А. А. Хохолков, Горный журнал, 9, 10, 112-116 (1999)
5. Б. Н. Кутузов, Безопасность взрывных работ в промышленности. Недра, Москва, 1977. 344 с.
6. В. С. Илюхин, В. А. Соснин, А. Г. Страхов, А. И. Филинов, Взрывное дело, 100, 57, 20-32 (2008).
7. Пат. РФ 2216529 (2001).
8. А. А. Хохолков, Горный журнал, 8, 27-28 (1995)
9 . Отчет ЗАО «Взрывиспытания» «Исследование причин несанкционированных взрывов на ОАО «Лебединский ГОК». Москва, 1997. 25 с.
© Н. А. Покалюхин - канд. хим. наук, доцент каф. ТТХВ КНИТУ; С. А. Кабиров - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник КНИТУ, [email protected]; А. А. Ибрагимов - генеральный директор ФКП «Авангард»; Р. А. Ибрагимов - канд. техн. наук, зам. ген. директора ФКП «Авангард», [email protected].
© N. A. Pokalyuhin - candidate of chemical sciences, professor of department of TSCC in KNRTU; S. А. Kabirov - candidate of technical sciences, a researcher in KNRTU, [email protected]; А. А. Ibragimov - general director of FKP "Avangard"; R. А. Ibra-gimov - candidate of technical sciences, deputy general director of FKP "Avangard", [email protected].
