CC BY
164
II. Пожарная и промышленная безопасность
Ю.В. Варнаков
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
П.И. Кушнеров
д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
Д.Н. Батраков
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.А. Плешаков
научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
К.Ю. Варнаков
студент ГОУ ВПО «КузГТУ»
УДК 622.235:213.2
РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУР ЭФФЕКТИВНЫХ И БЕЗОПАСНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Рассматриваются принципы разработки эффективных и безопасных патронированных эмульсионных взрывчатых веществ I класса, предназначенных для ручного формирования скважинных зарядов на земной поверхности.
Ключевые слова: БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, ГРАНУЛИРОВАННЫЕ ВВ, ВОДОСОДЕРЖАЩИЕ ВВ, ЭМУЛЬСИОННАЯ МАТРИЦА, ЭМУЛЬСИОННЫЕ ВВ, ВОДОУСТОЙЧИВОСТЬ, РАБОТОСПОСОБНОСТЬ
Проблема оснащения открытых горнодобывающих предприятий водоустойчивыми взрывчатыми веществами (ВВ) I класса, предназначенными для формирования скважинных зарядов на земной поверхности и обладающими высокой работоспособностью в обводненных условиях применения, в том числе при наличии проточности грунтовых вод, а также другими высокими эксплуатационными показателями и показателями безопасности, остается до настоящего времени актуальной. Несмотря на существование до-
статочно широкой номенклатуры водоустойчивых горячельющихся и водонаполненных ВВ, были разработаны и нашли широкое распространение в горнодобывающей промышленности более безопасные эмульсионные взрывчатые вещества.
Анализ составов эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ) показывает, что в основном данные взрывчатые вещества представляют собой обратные эмульсии типа «вода в масле».
По концентрационному соотноше-
нию между диспергируемой фазой (водным раствором окислителя) и дисперсной средой (масляной или, иначе, топливной) все эмульсии можно условно разделить на разбавленные - с массовой долей раствора окислителя в составе эмульсии менее 1 %, концентрированные - до 74 % и высококонцентрированные - свыше 74 %. Эмульсии, используемые для изготовления смесевых ЭВВ, еще называют эмульсионными матрицами и относят их к высококонцентрированным эмульсиям с содержанием диспергируемой фазы от 80 до 95 %.
Внешний вид эмульсии (эмульсионной матрицы) под оптическим микроскопом представлен на рисунке 1.
В технологии приготовления эмульсионных ВВ за рубежом наибольшее распространение нашел статический метод гомогенизации, где диспергирование жидкости достигается пропусканием через малые отверстия статического смесителя (до 10-8 м2) под высоким давлением, достигающим значения 3,5^107Н/м2. В отечественной практике для приготовления эмульсии взрывчатых веществ наиболее широко используется метод дробления динамического характера.
Для приготовления эмульсии применяют перемешивающие устройства, имеющие достаточно высокую частоту вращения и обеспечивающие дробление диспергируемой фазы на мелкие капли, рассредоточивая их в дисперсной среде. При этом диаметр получаемых эмульсионных капель напрямую зависит от вязкости масляной (или топливной) среды, типа используемого эмуль-
гатора (поверхностно-активного вещества) и частоты вращения перемешивающих устройств. Наиболее адаптированным к производству эмульсионных матриц, изготавли-
ваемых на отечественной сырьевой базе, является аппарат эмульгирования (эмульсификатор) роторного типа, разработанный ФГУП «КНИИМ».
о/о 30
26,5
12,7
21,1
9.42
□ *--3'8--371
■ ■ ■ -
1.6
0,8
0,3-0,7 0,7-1,0 1,0-1,3 1,3-1,6 1,66-2,0 2,0-2,3 2,3-2,66 2,66-3,0 3,0-3,33 3,33-3,66 3.66-4,0
диаметр, мкм
Рисунок 2 - Распределение размеров капель в эмульсионной матрице марки «эмуласт» при частоте вращения ротора эмульсификатора 640 мин-1
31,6
17,8 п 15 15,6
II 1
1г 1г 3 9 4,4 л,а?
II 3,1 II II 3,06 0 0,7 0,7 0,8 0
0,2-0,4 0,4 -0,6 0,6-0,8 0,8- 1,0 1,0 -1,2 1,2- 1,4 1,4- 1,6 1,6 -1,8 1,8-2,0 2,0-2,3 2,2 -2,4 2,4-2,6 2,6-2,8 2,8-3,0
диаметр, мкм
Рисунок 3 - Распределение размеров капель в эмульсионной матрице марки «эмуласт» при частоте вращения ротора эмульсификатора 2500 мин-1
Размер частиц эмульсионной матрицы марки «эмуласт», изготовленной на роторном эмульсифика-торе с применением эмульгатора марки РЭМ (ТУ 75 11903-631-93 [1]) и индустриального масла И-40А (ГОСТ 20799-88 [2]) при частоте вращения ротора 640 мин-1 представлен на рисунке 2.
Чем меньше размер частиц (капель) эмульсионной матрицы, тем более равномерно распределены компоненты в объеме эмульсии, что, в свою очередь, влечет за собой наиболее полное протекание реакции взрывчатого превращения, а следовательно, наиболее полное выделение энергии взрыва и минимальное образование токсичных газов взрыва.
С увеличением частоты вращения ротора эмульсификатора до 2500 мин-1 диаметр частиц эмульсионной матрицы уменьшается практически вдвое. Наблюдается увеличение образования капель малого размера и в процентном соотношении. Распределение размеров капель в эмульсионной матрице при частоте
вращения ротора 2500 мин-1 представлено на рисунке 3.
С увеличением частоты вращения ротора аппарата эмульгирования возникают и негативные последствия, такие, как повышение температуры изготовленной эмульсионной матрицы вследствие преобразования кинетической энергии вращения исполнительных органов эмульсификатора в тепловую. Уже при частоте вращения 1500 мин-1 температура изготовленной эмульсии превышает температуру плавления полиэтилена высокого давления, равную 130 - 140°С, что технологически нецелесообразно и вызывает необходимость последующего охлаждения изготовленной эмульсии.
С точки зрения выполнения условия «необходимости и достаточности», использование аппаратов эмульгирования с частотой вращения исполнительных органов более 1000 мин-1 является нецелесообразным. В этом случае температура изготовленной эмульсионной матрицы достигает 95 0С, а количество капель эмульсии с размером менее
2,0 мкм составляет 85 - 87 %, что обеспечивает достаточно хорошую равномерность распределения компонентов в составе эмульсионной матрицы и продолжительность гарантийного срока хранения (ГСХ) в пределах 12 мес при температурах окружающей среды от - 50 до + 50 °С.
Для сенсибилизации эмульсионных ВВ, используемых для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности, в России наиболее широкое применение нашел способ химической газификации составов с помощью газогенерирующих добавок - веществ, вступающих в химическую реакцию с одним или несколькими компонентами с выделением в результате данной реакции микроскопических пузырьков инертных газов, повышающих чувствительность ЭВВ к инициирующему (взрывному) импульсу.
Дополнительного уменьшения размеров капель эмульсионной матрицы без увеличения частоты вращения роторов аппаратов эмульгирования можно добиться применением индустриальных
масел пониженной вязкости. Так, например, масло индустриальное марки И-30А по ГОСТ 20799-88 в сравнении с индустриальным маслом И-40А имеет кинематическую вязкость при температуре 40 0С, меньшую примерно в 1,5 раза [2]. Известны также составы эмульсионной матрицы, изготовленные с применением дизельного топлива (ДТ) по ГОСТ 305-82 [3]. Основной целью замены индустриальных масел на ДТ является удешевление изготавливаемых эмульсий. Однако снижение вязкости топливной фазы приводит и к снижению водоустойчивости эмульсионных взрывчатых веществ (ЭВВ), особенно в условиях фильтрации грунтовых вод, к частичному вымыванию заряда ЭВВ, к потере его детонационной способности в условиях глубоких скважин (более 10 м) за счет слияния микроскопических газовых пузырьков между собой и их выдавливания из колонки взрывчатого вещества,
особенно в нижних слоях заряда. Применение эмульсионных матриц, изготовленных на дизельном топливе, приводит к ограничению времени нахождения ЭВВ во взрывной скважине и является причиной неполноты детонации зарядов и их отказов.
Если отвлечься от структуры эмульсионных ВВ, то, в принципе, они представляют собой не что иное, как игданит (сухая смесь аммиачной селитры и жидкого нефтепродукта). Наличие воды в составах эмульсионных матриц приводит к снижению тротилового эквивалента ЭВВ. С уменьшением массовой доли воды в составе ЭВВ увеличивается его тротиловый эквивалент. Однако, с другой стороны, при уменьшении массовой доли воды в составе эмульсионных матриц уменьшается пластичность эмульсионного взрывчатого вещества. Зависимость работоспособности ЭВВ от массовой доли воды
в составе эмульсионной матрицы можно проследить на примере эмуласта АС-30ФП (ТУ 7276-01416359200-2004 [4]), разработанного сотрудниками ОАО «НЦ ВостНИИ», при его испытании на бризантность в стальных кольцах. Оценка бри-зантности ЭВВ осуществлялась по обжатию стандартного свинцового цилиндра по ГОСТ 5984-99 [5]. Результаты исследований представлены в таблице 1.
Из представленных сведений видно, что работоспособность эму-ласта АС-30ФП прямо пропорционально зависит от плотности самого ЭВВ и массовой доли воды в составе эмульсионной матрицы. Для обеспечения текучести ЭВВ при его заряжании и для предотвращения застревания патронов ЭВВ во взрывных скважинах массовая доля воды в составе эмуласта АС-30ФП должна составлять менее 15,0 %.
Таблица 1 - Результаты испытаний на бризантность эмуласта АС-30ФП в зависимости от массовой доли воды в составе его эмульсионной матрицы
N2 п/п Массовая доля Плотность эмульсии, Плотность эмуласта АС-ЗОФП, Бризантность, мм
воды, % г/см3 г/см3
1 20,1 1,41 1,38 12,5
2 20,1 1,40 1,37 12,2
3 16,6 1,38 1,33 19,0
4 16,2 1,37 1,31 19,2
5 16,2 1,37 1,34 18,8
6 16,2 1,37 1,33 18,9
7 16,2 1,36 1,33 18,9
8 16,2 1,36 1,30 19,9
9 16,2 1,36 1,31 19,5
10 16,2 1,37 1,31 19,3
11 16,2 1,37 1,29 19,9
12 16,2 1,37 1,29 19,2
13 14,7 1,31 1,27 20,4
14 14,7 1,31 1,28 20,2
Таблица 2 - Показатели промышленной безопасности эмуласта АС-30ФП
Наименование показателя Значение показателя
Скорость детонации заряда в стальной трубе диаметром 60 х 3 мм, км/с 4,4...4,6
Чувствительность к удару по ГОСТ 4545-88 [8]: нижний предел в приборе 2, мм частость взрывов в приборе 1, % £500 0
Чувствительность к трению при ударном сдвиге на приборе К-44-3 по ГОСТ Р 50835-95 [9]: нижний предел, МПа (кгс/см2) ~ 294 (3000)
Чувствительность к инициирующему импульсу ЭД, КД, ДШ Не чувствителен
Критический диаметр детонации в стальной оболочке, мм 40.....50
Объем токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва (в пересчете на условный оксид углерода), л/кг 2 30...50
Для повышения тротилового эквивалента взрыва эмуласта АС-30ФП, а также в качестве технологической добавки, позволяющей осуществлять взрывание сульфидсодержа-щих руд, стабилизировать эмульсию во времени и предотвратить ее разложение и перекристаллизацию, произведено введение карбамида по ГОСТ 2081-92 [6] марок А и Б или их смеси в любых соотношениях. При этом карбамид должен быть изготовлен без кондиционирующих добавок или с кондиционирующей добавкой из карбамидформальде-гидной смолы. Массовая доля карбамида в эмульсионной матрице эмуласта АС-30ФП - 5,0 %.
Дополнительно для «искусственного» уменьшения массовой доли воды в состав эмуласта АС-30ФП введена добавка гранулированной аммиачной селитры массой до 30%. Вследствие выполненных действий массовая доля воды в готовом взрывчатом веществе не превышает 11,0 %, что увеличивает работоспособность взрывчатого вещества. Снижение массовой доли воды в составе эмульсионного ВВ эмуласт АС-30ФП тем не менее позволило сохранить показатели безопасности ЭВВ на низком уровне за счет отсутствия в составе индивидуаль-
ных взрывчатых веществ, а также за счет добавки гранулированной аммиачной селитры по ГОСТ 2-85 [7]. Показатели промышленной безопасности эмуласта АС-30ФП представлены в таблице 2.
Для обеспечения возможности транспортирования ЭВВ на дальние расстояния, превышающие 1000 км, а также для осуществления доставки ЭВВ на горнодобывающие предприятия, расположенные в районах Крайнего Севера и приравненных к ним, широкое распространение в отечественной практике нашло патронирование эмульсионных ВВ в полиэтиленовые оболочки различного диаметра с последующей упаковкой в транспортную тару. Транспортная тара, представляющая собой ящики из гофрированного картона, обеспечивает сохранность патронов в процессе транспортирования всеми видами транспорта, а также в процессе хранения патронов эмульсионных ВВ в условиях базисных и расходных складов. Совокупность продуманных технологических решений инженерно-технического персонала
специализированных предприятий-изготовителей промышленных ВВ, оптимальный выбор компонентов
и их массовых долей в составах патронированных эмульсионных взрывчатых веществ, разработанных сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ», таких как эмульсионный состав АС-25П (ТУ 7276-066-00173769-2008 [10]), изготавливаемый ОАО «Промсинтез» (г.Чапаевск, Самарской обл.) в объеме 22,0 - 25,0 тыс. т/год, и эмуласт АС-30ФП (ТУ 7276-014-163592002004), изготавливаемый несколькими предприятиями, в том числе ОАО «Калиновский химический завод» (пос. Калиново, Свердловской обл.) в объеме 8,0 - 10,0 тыс. т/год, а также ФГУП «Производственное объединение «Прогресс» (г. Кемерово) в объеме 8,0 - 10,0 тыс. т/год и ФГУП «Дальневосточное объединение «Восход» в объеме 14,0 - 16,0 тыс. т/год, позволили в значительной мере удовлетворить спрос горнодобывающих предприятий России на эффективные эмульсионные взрывчатые вещества, предназначенные для формирования скважинных зарядов на земной поверхности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 ТУ 75 11903-631-93. Эмульгатор полимерный «РЭМ». Технические условия.
2 ГОСТ 20799-88. Масла индустриальные. Технические условия.
3 ГОСТ 305-82. Дизельное топливо. Технические условия.
4 ТУ 7276-014-16359200-2004. Вещества взрывчатые промышленные. Эмуласт АС-30ФП. Технические условия.
5 ГОСТ 5984-99. Вещества взрывчатые. Метод определения бризантности.
6 ГОСТ 2081-92. Карбамид. Технические условия.
7 ГОСТ 2-85. Селитра аммиачная. Технические условия.
8 ГОСТ 4545-88. Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к удару.
9 ГОСТ Р 50835-95. Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к трению при ударном сдвиге.
10 ТУ 7276-066-00173769-2008. Вещества взрывчатые промышленные. Эмульсионный состав АС-25П. Технические условия.
WORKING OUT OF EFFECTIVE AND SAFE EMULSIVE EXPLOSIVES Варнаков Юрий Владимирович
FORMULA IN-TENDED FOR FORMATION OF BOREHOLE CHARGES e-mail: [email protected]
ON GROUND SURFACE
Yu.V. Varnakov, P.I. Kushnerov, D.N. Batrakov, K.A. Pleshakov, K.Yu. Кушнеров Петр Иванович
Varnakov e-mail: [email protected]
Principles of effective and safe cartridge emulsive I class explosives
working out intended for manual formation of borehole charges on ground Батраков
surface are considered. Дмитрий Николаевич
Key words: SAFETY, EFFICIENCY, EXPLOSIVES, BLAST WORKS, e-mail: [email protected]
GRANULATED EXPLOSIVES, SLURRY EXPLOSIVES, EMULSIFYING
MATRIX, EMULSION EXPLOSIVES, WATERRESISTANCE, Плешаков
WORKABILITY Константин Анатольевич
e-mail: [email protected]
Варнаков Кирилл Юрьевич
e-mail: [email protected]
50
