CC BY
42
УДК 622.235 П.И. Кушнеров
Кемеровский филиал ЗАО ИТЦ «Взрывиспытания» В.Я. Панчишин
ОАО НЦ ВостНИИ
Результаты исследований возможности создания предохранительных ВВ для разрезов
В краткой форме излагаются результаты исследований промышленных и экспериментальных составов ВВ, содержащих антипирогенные добавки. Приведены экспериментальные и расчетные данные, позволяющие количественно оценить уровень их предохранительности в отношении метановоздушной среды и наметить оптимальные пути повышения предохранительных свойств ВВ. Сделан вывод о возможности применения в составах гранулированных и эмульсионных ВВ карбамида, пенополистирола и хлористого натрия
Известно, что все ранее выполненные исследования были направлены исключительно на изучение свойств предохранительных патронированных ВВ, применяющихся в качестве шпуровых зарядов в условиях, опасных по возникновению взрывов метана и угольной пыли при подземной добыче угля. В связи с этим в настоящее время нет данных, характеризующих предохранительные свойства гранулированных и эмульсионных ВВ, которые применяются при открытой добыче полезного ископаемого. Критерии, служащие для оценки возможности тех или иных ВВ при взрывных работах поджигать уголь и метан, также отсутствуют. В связи с этим для оценки безопасных свойств промышленных ВВ (Порэмит 1 и 1А, сибириты, гранулиты НК и др.) использовались такие параметры ВВ, как теплота и температура взрыва, плотность ВВ и удельный объем газов, образующихся при взрыве ВВ, полученные исходя из уравнений реакций взрывчатого превращения ВВ и метода последовательного приближения с помощью данных о теплоте взрыва, а также молекулярного веса веществ, входящих в составы взрывчатых веществ, широко представленных в научно-технической литературе и нормативной документации.
Целью исследований являлось определение показателей пожароопасности ВВ в отношении возможности поджигания ими угля, определение эффективности способов снижения возможности загорания угля в условиях метановыделения, а также создание специальных ВВ для ведения взрывных работ в пожароопасных зонах угольных разрезов.
Для этого наряду с действующими промышленными ВВ изучались экспериментальные составы ВВ, содержащие антипирогенные добавки, - карбамид (мочевина), пенополистирол, а также водные растворы хлористого натрия.
Скорость детонации ВВ определялась при диаметре заряда не менее предельного и общей длине не менее пяти диаметров заряда. Измерения выполнялись по ГОСТ В 3250-75. Длину участка «прохождения» детонации определяли экспериментально при выполнении данных исследований.
Опыты выполнялись в трубах из стали диаметром 36 мм. Инициатором служил патрон аммонита № 6 ЖВ массой 50 г.
После подрыва заряда, уложенного на грунт во взрывной камере, находили остаток трубы и с точностью до 1 мм измеряли в 4 диаметрально противоположных точках его длину. Длину прохождения детонации определяли как разницу первоначальной длины и остатка трубы.
Эффективность действия ВВ находили по методу определения эффективности действия ВВ обжатием свинцовых цилиндров [1].
Бризантность ВВ определялась с помощью стальных колец в соответствии с методом Гес-
са [2].
Отбор проб продуктов взрыва для определения количества ядовитых газов производился после взрыва во взрывной камере емкостью 90 м3 в соответствии с методом определения объема и состава продуктов взрыва [3].
Температуру разложения ВВ определяли в соответствии с ГОСТ 19433-88 с помощью де-риватографа марки Q-1500 Д (ВНР) при скорости нарастания температуры 5 0С/мин, чувствительности 100 мг и скорости протягивания ленты 2 мм/мин.
Для характеристики ВВ определяли Тмакс - температуру максимальной скорости потери массы, Ткон - конечную температуру термораспада, а также потери вещества при термораспаде, выраженные в процентах, от начального значения массы. Температуру разложения Тн.р. рассчитывали как среднее арифметическое температуры выделения тепла и температуры начала потери массы.
Тмакс принимали равной минимальной температуре зажигания, которая служит для определения пожароопасности ВВ.
Результаты расчета параметров и экспериментально определенных взрывчатых характеристик ВВ приведены в таблице 1.
Определение предельной массы заряда, при которой с заданной надежностью Р=0,975 отсутствуют воспламенения метана, производили расчетным путем с помощью математической модели, позволяющей количественно оценить уровень их предохранительности в отношении мета-новоздушной среды и наметить оптимальные пути повышения предохранительных свойств ВВ.
Расчет производился по известным или экспериментально установленным значениям плотности, скорости детонации, удельному объему газообразных продуктов взрыва ВВ, теплоте и энергии взрыва, в соответствии с эмпирическими соотношениями Б.И. Вайнштейна для оценки предохранительных свойств ВВ [4]:
т ^бЫ^-Ю11^1'54 г,
где = р ' ' - (1-Р)/ Б4 -У^ 0,34 - обобщающий параметр, учитывающий плотность ВВ (р),
содержание твердых веществ в продуктах взрыва (в), удельный объем газов (У), энергию взрыва скорость детонации (Б).
Таблица 1 - Параметры и характеристики промышленных и модельных составов ВВ
Наименование ВВ Теплота взрыва, кДж/кг Удельный объем газов, л/кг Плотность, г/см3 Предельный диаметр в стальной трубе, мм Длина участка детонации, мм Скорость детонации, км/с Температура взрыва, оС Максимальная температура зажигания, оС
Гранулит АС-8 5,195 847 0,95 25-30 400 3,6 2871 260
Гранулит АС-4 4,525 907 0,85 30-40 225 3,2 2531 260
Гранулит УП -1 3,40 980 0,9 30-40 205 2,9 2210 270
Игданит 3,855 990 0,85 25-40 370 2,7 2167 310
Граммонит 79/21 3,394 895 0,9 10-15 Более 400 4,2 2850 252
Граммонит 30/70 4,316 852 0,95 15-20 То же 5,2 2906 -
Гранулотол 3,455 750 1,0 10-15 -«- 6,0 2950 -
Аммонит № 6 ЖВ 4,312 905 0,9 9-11 -«- 4,8 2964 -
ПЖВ-20 3,427 819 1,05 15-20 -«- 4,0 2331 -
АП-5 ЖВ 3,816 788 1,0 9-15 -«- 4,6 2529 -
Гранулит НК 3,18 980 0,85 25-35 2,6 1547 -
Порэмит-1 3,14 920 1,3 36-45 400 4,4 1677 288
Порэмит-1 с добавкой
хлористого натрия 2,83 828 1,3 36-45 250 4,2 1509 320
Порэмит -1 А 3,01 1010 1,25 36-45 250 4,0 1607 300
Порэмит-1 А с добавкой 270
хлористого натрия 2,71 910 1,25 36-45 270 3,6 1446 320
Смесь селитры с пенопо-
листиролом 2,54 398 0,5 30-40 320 1,8 1260
Данные расчета предельной массы заряда, при взрыве которого ВВ не воспламеняет метан, представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Предельная масса зарядов ВВ, не воспламеняющая метан
Предельная масса заряда, не
Наименование ВВ воспламеняющая метан, г
(расчетная)
Гранулит АС-8 1100
Гранулит АС-4 1300
Гранулит УП-1 3100
Игданит 3400
Граммонит 79/21 400
Граммонит 30/70 100
Гранулотол 93,9
Аммонит № 6 ЖВ 93,9
ПЖВ-20 900
АП-5 ЖВ 400
Гранулит НК 4800
Порэмит-1 1400
Порэмит-1 с добавкой хлористого натрия 2300
Порэмит 1А 2200
Порэмит-1 А с добавкой хлористого натрия 5100
Смесь аммиачной селитры с пенополистиролом 20000
В результате исследований установлено, что наибольшими предохранительными свойствами по отношению к опасности воспламенения метана обладают смеси аммиачной селитры с пенополистиролом, гранулит НК и эмульсионные взрывчатые вещества (ЭВВ), у которых предельная масса заряда составляет 2200-20000 г, что значительно больше, чем у тротилосодержащих ВВ, например гранулотола или граммонита 79/21 (93,9-400 г). Причем температура взрыва этих ВВ значительно ниже, чем у других ВВ, и составляет всего 1260-1677оС, что на 20-50% меньше, чем у игданита и граммонита 79/21. Однако, с точки зрения опасности поджигания угля выгорающим зарядом ВВ, в условиях метановыделения наиболее безопасными являются ЭВВ, содержащие добавки хлористого натрия, которые не выгорают и не поджигают уголь в случае воспламенения метана.
Растворы хлористого натрия можно вводить не только в ВВ, но и в обводненную скважину путем предварительного растворения порошка хлористого натрия в воде. Дальнейшие исследования проводились с целью определения вредного влияния раствора хлористого натрия на физиче-
ские, термические и взрывчатые свойства ЭВВ.
Оценка физической стабильности эмульсионных ВВ (Порэмит-1) в воде и в растворе хлористого натрия (338 г/л) проводилась по двум показателям: по изменению плотности раствора и уменьшению массы ВВ. В обоих случаях навеска свежеприготовленного ВВ массой 1000 г помещалась в стеклянный мерный сосуд, после чего поверх столба ВВ в свободное пространство доливалось 500 мл воды или раствора. Плотность в стеклянных цилиндрах ежесуточно замерялась стандартными ареометрами из набора. Раствор перед каждым замером плотности над столбом ВВ перемешивался шпателем в течение 1 мин. Наблюдения велись в течение 8 сут. Начальное значение плотности (0 сут) определялось сразу после заливки воды и раствора хлористого натрия на столб ВВ. Полученные усредненные данные замеров представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Изменение плотности раствора над столбом Порэмита -1 после его выдержки в воде или растворе хлористого натрия
Сутки Плотность раствора над столбом ЭВВ, г/см 3
Вода Раствор хлористого натрия
0 1,004 1,224
1 1,008 1,227
2 1,010 1,229
3 1,012 1,233
4 1,012 1,234
5 1,013 1,235
6 1,013 1,235
7 1,014 1,235
8 1,015 1,236
Из таблицы 3 видно, что плотность раствора над столбом ЭВВ изменялась незначительно и примерно в равной степени, т.е. как для воды, так и для раствора хлористого натрия. Изменение
3 3
плотности воды за 8 сут составляло 0,011 г/см , для раствора хлористого натрия - 0,012 г/см . Полученные результаты свидетельствуют о практически одинаковом воздействии воды и раствора хлористого натрия на физическое состояние ЭВВ в рассмотренном интервале времени.
Подобные результаты получены в опытах по изменению массы вещества Порэмита-1. Наблюдения велись в течение 15 сут. Масса ЭВВ, постепенно растворяющегося в водной фазе, оп-
ределялась следующим образом. Из стеклянного цилиндра осторожно сливали слой водной фазы и масла, всплывающего на поверхность вследствие разложения эмульсии ЭВВ. Всю жидкость взвешивали на весах с точностью до 1 г. После взвешивания жидкость заливали обратно в стеклянный цилиндр с ЭВВ. Наблюдения проводились ежедневно. Масса ЭВВ в стеклянном цилиндре определялась по изменению массы жидкости над столбом ЭВВ. Результаты представлены графически на рисунке 1.
Су тки
1 - ЭВВ в воде; 2 - ЭВВ в растворе хлористого натрия Рисунок 1 - Изменение массы ЭВВ в воде и растворе хлористого натрия
Из графика видно, что скорость растворения ЭВВ в растворе хлористого натрия на 5-10% выше, чем в случае растворения в воде. Можно предположить, что разложенные в воде ЭВВ определяются механизмом диффузии ионов NH4+, Na+, NOз- с поверхности эмульсии в раствор.
Интересно отметить существование «точки перегиба» на кривых растворения ЭВВ (рисунок 1). Это объясняется тем, что в первые 1-2 сут «набухание» эмульсии под действием сил осмоса превалирует над процессом растворения и деструкции.
Таким образом, и в этой серии опытов не обнаружено дополнительного отрицательного воздействия хлористого натрия на физическую стабильность ЭВВ в сравнении с воздействием на него воды.
Оценка термохимической стойкости образцов ЭВВ (Порэмит-1), выдержанных под слоем воды или раствора хлористого натрия в течение 15 сут, как видно из таблицы 4, примерно одинакова.
Таблица 4 - Термохимическая стойкость ЭВВ в воде или растворе хлористого натрия
Испытуемое ВВ Т н.р., оС Ттах, оС Потери, %
Порэмит-1 в воде 245 320 85
Порэмит-1 в растворе
хлористого натрия 245 320 85
После обработки дериватограмм установлено: потери массы после выдержки ЭВВ в воде и рассоле составляют при 100оС - по 4,5%, при 150оС - 8,0 и 7,3%, при 200оС - 10,0 и 10,7%. При температуре 245оС в обоих случаях наблюдается мощный экзопик (резкое повышение температуры). Все это в совокупности свидетельствует о практически одинаковом поведении вещества, выделенном в обычной воде и в растворе хлористого натрия в течение 15 сут.
Образцы Порэмита-1, выдержанные под слоем воды или раствора хлористого натрия в течение 10 сут, испытывались также на содержание и состав ядовитых газов в продуктах взрыва. Результаты газового анализа представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Содержание и состав ядовитых газов в продуктах взрыва Порэмита -1 после выдержки под слоем воды и раствора хлористого натрия
Содержание ядовитых газов в продуктах взрыва, г/л
Порэмит-1 выдержан под водой Порэмит-1 выдержан под раствором хлористого натрия
СО N Ох 2СО СО N Ох 2СО
6,1 2,09 19,7 4,99 2,1 17,6
Как видно из таблицы 5, содержание условной окиси углерода в продуктах взрыва ЭВВ после его контакта с водой или раствором хлористого натрия отличается незначительно. Разница между ними сопоставима с погрешностью метода оценки содержания ядовитых газов.
Взрывчатые показатели Порэмита-1 после его контакта с водой или раствором хлористого натрия представлены в таблице 6. При этом вначале исследовались свежеприготовленные навески ЭВВ, а затем после 3 и 5-суточной выдержки ЭВВ под слоем воды или раствора хлористого натрия.
Таблица 6 - Взрывчатые показатели Порэмита -1 после выдержки его под слоем воды или раствора хлористого натрия
Время выдержки Порэмита-1, сут Бризантность, мм Эффективность взрыва, мм
после выдержки в воде после выдержки в растворе хлористого натрия после выдержки в воде после выдержки в растворе хлористого натрия
0 28-29 28-29 40-42 40-42
3 24-26 24-26 38-39 38-39
5 13,2 12,1 35,2 36,5
Из таблицы 6 видно, что взрывчатые показатели ЭВВ после контакта его с водой или раствором хлористого натрия изменяются примерно в равной мере.
Таким образом, на основании выполненных исследований было установлено следующее:
1 Наиболее безопасными, с точки зрения воспламенения метана продуктами детонации, образующимися при взрыве ВВ, из всех рассмотренных и вновь разрабатываемых ВВ являются смеси аммиачной селитры с пенополистиролом, гранулит НК и ЭВВ, у которых предельная масса заряда, не воспламеняющая метан, составляет 2200-20000 г, что значительно больше, чем у тротилосодержащих ВВ. У этих ВВ предельная масса составляет всего 94-400 г, а температура взрыва наиболее безопасных ВВ составляет 1260-1677 0С, что на 20-50% меньше, чем у игданита и граммонита 79/21.
2 Наибольшей предохранительностью в условиях метановыделения обладают эмульсионные ВВ с добавками хлористого натрия, которые, в отличие от всех рассмотренных ВВ, не поджигают уголь в условиях метановыделения от выгорающего заряда ВВ массой 1 кг.
3 Влияние воды и водного раствора хлористого натрия на ЭВВ при их непосредственном контакте с ВВ практически одинаково в течение 15 сут. Так, например, плотность раствора аммиачной селитры над столбом ЭВВ за 8 сут нахождения в воде и растворе хлористого натрия изменилась соответственно всего на 0,011-0,012 г/см от начальной плотности; потери ЭВВ при выдержке в воде всего на 5-10% меньше, чем в растворе хлористого натрия; термическая стойкость ЭВВ после выдержки ЭВВ в воде или в растворе хлористого натрия в течение 15 сут одинакова.
4 Взрывчатые характеристики ЭВВ после выдержки в течение 5 сут в воде или водном растворе хлористого натрия также практически не отличаются.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Технические требования и методы испытания взрывчатых веществ местного приготовления для угольных разрезов. - Кемерово: ВостНИИ, 1995.
2 Светлов, Б.Я. Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ/ Б.Я. Светлов, Н.Е. Яременко. - М.: Недра, 1973. -133 с.
3 Поздняков, З.Г. Справочник по промышленным взрывчатым веществам и средствам взрывания /З.Г. Поздняков, Б.Д. Росси. - М.: Недра, 1977. -С.188-190.
4 Вайнштейн, Б.И. Эмпирические соотношения для оценки предохранительных свойств ВВ // Взрывное дело. - №84/41. -М.: Недра, 1982. -С. 54-60.
