Современные промышленные взрывчатые вещества

Лекция II

Виноградов Юрий Иванович

История использования энергии взрывчатых веществ (ВВ) для добычи полезных ископаемых насчитывает около 400 лет. Преимущество взрывной технологии дробления горной массы в процессе ее отделения от массива оказалось настолько очевидным, что она широко применяется во всех горнодобывающих странах мира, непрерывно растет и область применения энергии взрыва для получения полезной работы в других отраслях промышленности, науки и техники. Это стимулирует развитие фундаментальных и прикладных исследований по изучению свойств самих ВВ, механизму и полноте их взрывчатого превращения, механизму действия взрыва на различные среды и оптимизацию полезных форм работы взрыва с учетом свойств среды и технологии ведения взрывных работ.

В принципе в развитии ассортимента современных ВВ можно выделить четыре этапа:

I. Примерно в 1864 году Альфред Нобель начал в Швеции производить взрывчатое масло на основе жидкого нитроглицерина. Здесь необходимо заметить, что несмотря на принятый во всем мире приоритет Альфреда Нобеля в изобретении динамита, русские ученые, офицеры Н.Н.Зимин и З.В.Петрушевский еще в 1853 году проводили опыты с нитроглицерином. В это время Альфред Нобель был в Петербурге и видел эти опыты. Новое ВВ распространилось по всему миру с необычайной для того времени быстротой. «Взрывчатое масло» вскоре стали изготовлять на заводах во всем мире. Об этом периоде напоминает тот факт, что в заводские марки многих компаний изготовителей ВВ до сих пор включается слово «Нобель», хотя эти компании совершенно самостоятельные. Несколько лет спустя Альфред Нобель нашел целесообразным пропитывать глицерином пористые вещества, что позволило изготовлять ВВ в форме патронов. Недостатком «взрывчатого масла» являлась его способность проникать в трещины и щели в породе, что делало опасным проведение последующих работ в этом месте. «Взрывчатое масло» было также чувствительно к удару и быстро затвердевало при низкой температуре. Первое патронированное нитроглицериновое ВВ изготовлялось из пропитанного нитроглицерином кизельгура (известного также под названием диатомит и являющегося кремниевым отложением). Замена кизельгура нитроцеллюлозой позволила затем получить пластичное ВВ, известное под названием динамит. В последнем постепенно часть нитроглицерина была заменена аммиачной селитрой и другими взрывчатыми соединениями. Динамит использовался при проведении туннеля сквозь Альпы в 1872-1880 гг. сорта динамита, изготовлявшегося в различных странах, со временем изменялись. В настоящее время содержание аммиачной селитры или других подобных веществ в динамите обычно превышает содержание нитроглицерина.

II. Применение аммиачной селитры в производстве ВВ – это начало прошлого столетия. Толчком к использованию нитрата аммония как основной составляющей промышленного ВВ послужил ряд катастроф, связанных с хранением и перевозкой . В СССР с начала 30^х годов динамиты быстро вытеснились более экономичными и менее опасными ВВ на основе АС – аммонитами. С середины 30^х годов начали применять простейшие смеси аммиачной селитры с углеродистыми веществами – динамоны, а с середины 50^х годов игданиты и гранулиты.

М.А, Кук выделяет 4 стадии развития производства смесей АС-ДТ:

1. разработка АС в начале 40^х годов для применения в сельском хозяйстве. АС для ВВ была непористой и поэтому неэффективной в смесях АС-ДТ;

2. катастрофические взрывы кораблей с АС для удобрений в 1947 году в Техас-Сити и Бресте (Франция) навели на мысль, что АС является дешевым и мощным ВВ;

3. горные инженеры попытались в середине 50^х годов применить АС в скважинах большого диаметра на железнорудных месторождениях Мичигана и Северной Миннесоты. Попытка была не совсем удачной, так как АС была в десенсибилизированном виде. Убедившись в необходимости сенсибилизации АС горючими добавками, позже на каждый мешок селитры добавляли 3.785 литра нефтяного масла;

4. в октябре 1956 года в университете штата Минессота состоялся симпозиум, на котором были выполнены и оформлены работы по стандартизации и изготовлению смесей Ас-Дт.

АС, сенсибилизированная добавкой приблизительно 6% парафина или нефтяного масла, в настоящее время является самым дешевым источником энергии взрыва. Данная смесь является уравновешенной по кислородному балансу (94% гранул АС + 6% жидкого дизельного топлива)

Содержание 6% ДТ увеличивает удельную энергию взрыва с, соответствующую АС, до для АС-Дт с «О» кислородным балансом.

Поскольку взрывные характеристики АС-Дт очень чувствительны к изменению соотношения компонентов, а смесь АС-Дт склонна к довольно быстрому расслаиванию, первостепенное значение придается физической стабильности смесей. Поэтому качеству гранулированной селитры в США было делено много внимания. В короткий срок было налажено производство пористой селитры, внедрен целый комплекс мероприятий по изменению режима грануляции, применена сушка гранул до низкой влажности и т.д.

Химические фирмы США (Дюпон, Монсарто, Спенер и т.д.) разработали для приготовления ВВ специальные сорта пористой гранулированной АС не слеживающиеся и сохраняющие хорошую сыпучесть при хранении.

На внутреннем рынке США АС производят в основном в качестве сельскохозяйственного удобрения с плотностью гранул , для взрывных работ - . Пористая селитра имеет открытую пористость около и закрытую в два раза большего. Величина открытой пористости обеспечивает удержание именно такого количества жидкого горючего, которое необходимо для получения наилучших энергетических характеристик смеси АС-Дт, а величина закрытой пористости обеспечивает плотность смеси, необходимую для эффективной детонации при надежном инициировании.

На эффективность применения ПВС влияют следующие факторы:

- плотность

- содержание дизельного топлива

- диаметр скважин и шпуров

- условия заряжания

- условия инициирования

- обводненность

- свойства пород

- наличие и качество забойки.

Скорость детонации насыпных смесей АС-ДТ в значительной мере определяется диаметром заряда.

По мере увеличения диаметра скважины растет скорость детонации. Предельная гидродинамическая скорость детонации АС-ДТ равна и достигается при диаметре 355мм.

Устойчивую скорость детонации смеси АС-Дт при ее нормальном инициировании обычно устанавливают на удалении от инициатора, выражаемом 2 или 3 диаметрами заряда.

Прочностные характеристики горных пород влияют на скорость детонации и на способность АС-Дт поддерживать детонацию в шпурах малых диаметров. Например, при взрывании без забойки АС-Дт не детонирует при диаметрах меньше 100мм. Применение забойки позволяет осуществить детонации при диаметре 25 мм.

Количество жидкого топлива или твердого горючего влияет на теплоту взрыва, скорость детонации, чувствительность и на количество выделяемых ядовитых газов при взрыве смесей АС-ДТ.

Насыпная плотность смесей Ас-Дт изготовляемая на местах потребления, составляет , а их энергетические и детонационные характеристики предназначены для заряжания сухих скважин в слабых и средней крепости породах.

Для повышения энергии взрыва в смеси АС-ДТ оставляют АС^го порошка. Увеличение содержания Al на 1% в смеси АС-ДТ при О К.Балансе увеличивает выделяемую энергию на 4.5%

Преимущества:

1. самые дешевые ВВ

2. намного безопаснее по сравнению с динамитами и др.

3. высокая механизация зарядки

4. полностью заполняют весь объем скважин.

Недостатки:

1. легко теряют детонационную способность под воздействием воды

2. низкое давление при детонации, т.е. слабые взрывчатки для крепких горных пород.

III. Развитие водосодержащих ВВ. Это примерно середина-конец 50^х годов прошлого столетия. Изобретатель – Кук. К изобретению этих ВВ, которые впоследствии были названы «Сларри» подтолкнули отрицательные, в плане применения, свойства аммиачной селитры, а именно их гигроскопичность.

Водосодержащие взрывчатые составы (ВВС) начались разрабатываться во второй половине 50^х годов.

В США взрывчатые водосодержащие составы получили общее собирательное название «Сларри». По определению Кука и Фэрмана «Сларри» представляют собой смесь твердого и жидкого компонентов, в котором каждая из твердых частиц контактирует с соседней и только промежутки между ними заполнены жидкостью.

По принятой классификации водосодержащие взрывчатые смеси называют водосодержащими взрывчатыми веществами (ВВВ), если они сенсибилизированы взрывчатыми соединениями (тротил, бездымный порох и др.), и простейшими взрывчатыми водосодержащими смесями (ПВВС), если они не чувствительны к капсюлю-детонатору, и горючий компонент не является взрывчатым, например Al, S, твердые растворимые и нерастворимые в воде углеводороды. Различают 2 разновидности ПВВС – суспензии и водные гели.

Водным гелем называют сплошную (жидкую) фазу, которая обычно составляет менее половины взрывчатого состава. До тех пор, пока видимые твердые частицы взвешены в сплошной жидкой фазе, такую смесь называют суспензией.

Сларри состоит из двух аз – жидкой и твердой. Жидкой фазой является водный раствор окислителя, который с целью предотвращения разбавления в скважине водой загущают введением специальных добавок. Полученную жидкую фазу смешивают с дополнительным количеством твердого окислителя и горючими добавками. Для придания большей водоустойчивости, особенно в проточной воде, водосодержащие ВС структурируют добавлением структурообразователей. В качестве окислителя в основном используют АС. Из твердых горючих-сенсибилизаторов применяют тротил и алюминиевые порошки. В качестве загустителя гуаргая – США, КМЦ – СССР. Жидкую фазу структурируют солями хрома, железа и др.

Кроме горючих-сенсибилизаторов в составы ПВВС вводят дополнительно горючие добавки, например, порошок угля, серу, нерастворимые в воде нефтепродукты.

На крупных карьерах водосодержащие взрывчатые смеси изготавливают либо на стационарных пунктах, либо непосредственно в процессе заряжания скважин совмещением заранее приготовленных на стационарных пунктах жидкой фазы и твердых компонентов с помощью смесительно-зарядных машин.

Схема механизации взрывных работ с водосодержащими ВВ.

В состав комплекса входят стационарный механизированный пункт приготовления горячего раствора окислителя, машина Акватол IV для доставки готового раствора окислителя в карьер и добавки там из машины МЗ-ЗА тротила.

Смесительно-зарядные машины позволяют заряжать скважины в зависимости от горно-геологических условий двумя и более водосодержащими составами с различными энергетическими характеристиками. Эти машины, как правило, оборудованы системами принудительной подачи ВВ в скважину по шлангам, обеспечивающих закатку ПВВС под столб воды.

Присутствие воды в водосодержащих смесях обеспечивает высокую степень безопасности, которая выше, чем у смесей АС-ДТ. Вода является наполнителей и повышает плотность заряда. С целью повышения детонационной способности ПВВС, сенсибилизированных невзрывными добавками, и обеспечения их чувствительности к К.Д. в их состав вводят газовые пузырьки (с помощью газирования, полых сфер или пористых материалов) или образуют их в составе химическим путем, вводя специальные добавки.

Взрывчатые водосодержащие смеси выпускают для различных условий, поэтому их основные характеристики варьируются в широких пределах. Например, ВВС «Иреджел» серии 300 имеют плотность , скорость детонации , теплоту взрыва и объемную концентрацию энергии . Минимальный диаметр скважины и максимальная глубина составляет соответственно 150мм и 38м. минимальная масса промежуточного детонатора из мощного ВВ – 50г. Срок хранения в сухих скважинах – 60 суток.

Основные характеристики ВВС «Ириджел» серии 300

Тип взрывной смеси
Плотность	1,15	1,18	1,2	1,25	1,3	1,35
Удельная энергия ВВ	весовая
объемная
Скорость детонации

На пункте приготовления раствора окислителя контейнеры с АС выгружают с автотранспортную площадку. Контейнер ставят на тележку и подают в здание пункта, где мешки с АС выгружают на растариватель-рыхлитель с просеивателем. Разрыхленная АС камерным пневмонасосом подается в бак для приготовления водного раствора, оборудованный механической мешалкой и змеевиками с горячим паром.

Готовый раствор АС подают в бак-накопитель, а оттуда в Акватол IV.

Машина Акватол IV предназначена для приготовления, доставки, заряжания водосодержащих взрывных веществ. Объем 10 тонн ВВП.

Машина на базе КрАЗ-256Б: имеет бункер-смеситель, смеситель дозатор с насосом и барабан извлекатель зарядного шланга.

Т.Т.Х. Акватола IV

Грузопордъемность	10,0 тонн
Вместимость	Бункера-смесителя	8,0 тонн
Смесителя-дозатора	0,6 тонны
Рубашка бункера-смесителя	0,5 тонны
Производительность заряжания	14

Основные характеристики водосодержащих взрывчатых смесей «Ириджел» серии 600

Ρ
Объемная концентрация энергии
Скорость детонации

Эти смеси может производить смесительно-зарядная машина компании «Иреко». Зарядная машина с программным управлением позволяет изготавливать комбинированные заряды с регулируемыми по глубине скважины характеристиками взрывчатых смесей требуемой плотности и энергии.

Т.Т.Х. «Иреко»

Скорость закачивания взрывчатой смеси в скважину
Грузоподъемность	13,5 тонн
Обслуживающий персонал	2 человека

IV. последний на данный момент времени этап развития ВВ – создание эмульсионных ВВ – примерно конец 60^х – начало 70^х годов.

Эмульсионные ВВ были запатентованы в США и начали выпускаться с 1964 года. В их состав входят: раствор АС, дополнительные жидкости с различными окислителями, энергоносителями, повысителями и понизителями чувствительности и другими компонентами для создания нужной консистенции и взрывных свойств.

Эмульсионные ВВ состоят в основном из водяного раствора неорганического окислителя, который в виде мелких капелек представляет дисперсную фазу и жидкого горючего, являющегося непрерывной фазой. Соотношение окислителя и горючего в эмульсионной смеси составляет приблизительно 10:1.

В качестве окислителя применяют нитриты, перхлораты аммония, щелочных металлов и т.д. Наиболее часто используют АС отдельно ли в смеси с другими селитрами. Оптимальное содержание окислителя в смеси составляет 60-85%, а воды – 8-16%.

Жидкими горючими обычно являются органические виды топлива (минеральные масла, дизельное топливо и т.д.). оптимальным является содержание жидкого горючего 3-7%. Для повышения энергетических характеристик в составы эмульсионных ВВ иногда добавляют твердое горючее: серу, алюминиевый порошок. Для распределения мелких капелек раствора окислителя, имеющих размеры от десятых долей до 1-10 мкм. В непрерывной фазе жидкого горючего применяют эмульгаторы. Наиболее эффективными эмульгаторами являются: эфиры глицерина и жирных кислот (стеариновой)

Эмульсии имеют повышенную взрывчатую способность, поскольку обе фазы жидкие, а дисперсные капельки раствора нитрата на несколько порядков меньше, чем размеры частиц других ВВ.

ВВ	Размер частиц, мм	Физическое состояние частиц	Скорость детонации кг/с
АС-ДТ	Приблизительно 2	Твердое	Приблизительно 3
Динамит	0,2	Твердое
Суспензия	0,2	Твердое, жидкое	3,3
Эмульсия	0,001	Жидкое	5-6

В отличие от водосодержащих смесей эмульсии не загущаются и не желатинизируются. Так как эмульсии не имеют химических сенсибилизаторов, их чувствительность и взрывчатые характеристики. А также плотность целиком зависят от содержания в смеси газовых пузырьков.

Компоненты эмульсии смешивают при температуре С. Из-за отсутствия структурирующих добавок эмульсионные смеси перед употреблением должны остыть до температуры 30-50С, прежде чем горючая фаза перейдет в полутвердое состояние.

Производят три вида эмульсионных ВВ: патрон большого диаметра (>100мм); текучие, предназначенные для закачки из автоцистерны; патроны малого диаметра, инициируемые детонатором.

Эмульсионные ВВ имеют очень высокую физическую стабильность, благодаря чему их детонационные характеристики остаются неизменными при хранении до года.

Водоустойчивость эмульсионных ВВ выше чем суспензионных и водно-гелевых из-за того, что каждая капелька раствора АС покрыта тонкой пленкой жидкого горючего, предохраняющей от контакта и разбавления внешней водой в обводненных скважинах.

Благодаря отсутствию дорогостоящих и дефицитных загустителей и структурообразователей, эмульсионное ВВ значительно дешевле других типов водосодержащих ВВ.

Высокая стабильность, водоустойчивость, возможность в широких пределах изменять рецептуру и характеристики, безопасность – все это говорит о перспективности этих ВВ. кроме того, при ведении взрывных работ с применением эмульсионных ВВ возможна полная механизация и автоматизация производственных процессов подготовки и заряжания взрывных выработок.

Эмульсионные ВВ производят различные фирмы: «Дюпон», «Иреко Кемиклз», «Атлас Паудер» и другие.

^{. . /}

Одним из последних достижений следует считать появление концентрированных «Сларри» - взрывчатых смелей из эмульсионного ВВ и АС-ДТ, смешанных таким образом, чтобы эмульсия заполняла межгранульное пространство. Идея предложена компанией «Эксплозивс энерджи корп.» В результате были получены взрывчатые составы, обладающие по сравнению со смесями АС-ДТ большей объемной концентрацией энергии и более высокой водоустойчивостью, а по сравнению с эмульсионными меньшей стоимостью.

Соотношения компонентов в смеси «Эмульсия – АС-Дт» легко изменяется непосредственно на месте производства взрывных работ, поскольку оба компонента можно смешивать в любой пропорции. В специальных емкостях смесительно-зарядных машин непосредственно перед загрузкой смеси во взрывные скважины концентрированные ВС позволяют регулировать линейную плотность энергии по высоте скважинного заряда и производить индивидуальное заряжание каждой скважины с требуемыми по условиям производства уровнями энергии. Такое индивидуальное заряжание скважин роизводят путем простого измерения содержания в смеси эмульсии и АС-ДТ, осуществляемого смесительно-зарядной машиной.

Наибольшей популярностью в США пользуются универсальные смесительно-зарядные машины на базе большегрузных автомобилей, приспособленных для приготовления и заряжания любого из трех видов ВВ – Ас-Дт, эмульсии или смеси эмульсии и АС-ДТ.

В таких машинах имеются емкость для гранулированной АС, цистерна для эмульсионного наполнителя, два насоса и баллоны для газирующего вещества. Для приготовления концентрированной смеси эмульсии с АС-ДТ используют трубопровод, который ведет из цистерны наполнителя через шланг в подающий верхний шнек, где наполнитель смешивают с АС-ДТ.

Смесительно-зарядная машина имеет две самостоятельные системы подачи ВВ в скважину. Насосную систему обычно располагают позади кабины и используют для закачки эмульсии на дно скважины под столб воды. Верхнюю шнековую систему используют для подачи как обычного АС-ДТ, так и смеси эмульсии с АС-ДТ.

В России за последние 2 года производство ПВВ на местах применения выросло более чем на 1 О % и составило около 60% от общего количества применяемых ПВВ на горных предприяти­ях (446 тыс.тонн), что показано на рис 1. При этом на местах применения изготавливается почти по­ловина объема эмульсионных ВВ, и их ассортимент представлен на рис.2.

При этом доля эмульсионных пвв в объеме заводских ПВВ составила 13% и весь ассортимент представлен на рис.3.

Объем выпуска эмульсионных ПВВ в настоящее время превысил выпуск тротилосодержащих ПВВ и неуклонно будет возрастать, что представлено на рис 4 и 5.

Максимальный объем ПВВ, изготавливаемых на местах примснения, может при благоприятных условиях достигнуть 70 % от общего выпуска ПВВ. Оставшиеся 30 % будут приходиться на ВВ заво­дского изготовления, в т.Ч. тротил и тротилсодержащие составы, и по объему выпуска они останутся на сегодняшнем уровне - 250-300 ТЫС.тонн.

Сравнительный анализ показал (см.табл.2), что при всех равных характеристиках стоимость рос­сийских установок по производству ЭВВ значительно ниже зарубежных (в 2-5 раз), даже без учета доставки и пограничных пошлин последних.

В настоящее время зарубежные фирмы предлагают различные типы установок для получения эмульсионных веществ различных классов, основные характеристики которых представлены в таб­лице. При этом они не отличаются разнообразием способов получения растворов окислителей и го­рючей фазы, существенные различия имеются только на стадиях эмульгирования, сенсибилизации и патронирования. Представленное зарубежное оборудование для приготовления эмульсии по техниче­ским характеристикам и производительности находится на уровне отечественного, и при этом во всех. странах в качестве "ноу - хау" представлен диспергатор или аппарат эмульгирования.

Многие фирмы так и не смогли освоить производство эмульсионных ВВ на российском сы­рье. Так финская фирма " Кешiга" не смогла получить стабильную эмульсию на российском сы­рье еще на стадии проверки, а при отработке шведской установки "Нитро Нобель" импортный статический смеситель пришлось заменить на отечественный аппарат эмульгирования. Отечест­венный аппарат эмульгирования эксплуатируется на Киселевском заводе "Знамя" уже более 13 лет и замечаний по его работе не наблюдается, производительность аппарата в настоящее время достигает 20 т/ч. Почти все зарубежные фирмы используют в качестве основного компонента по­верхностно-активное вещество только собственного производства. За счет высокой производи­тельности стадии эмульгирования в отечественных установках повышена безопасность получе­ния и обращения с матричной эмульсией, так как из технологического процесса исключены насо­сы для перекачивания эмульсии и используется прерыватель детонации между аппаратом эмуль­гирования и зарядной машиной. Исключение насосов связано с тем, что по данным международ­ной организации по безопасности производств ПВВ "Safex" из 8 аварий в производстве эмульсионных веществ 4 произошли в насосах при транспортировании эмульсий. В установках для соз­дания современного перспективного ассортимента ПВВ предусмотрено получение простейших гранулированных составов типа АС-ДТ и их смесей с матричной эмульсией порэмита. С целью снижения энерго- и. металлоемкости процесса предполагается использовать готовый раствор окислителя непосредственно с завода-изготовителя, что в настоящее время предусматривается на вновь стоящейся установке в Ленинградской области.

В российских установках предусмотрена универсальная технология получения порэмитов, что позволяет проводить модифицирование существующих марок ЭВВ с целью упрощения техноло­гии и рецептуры за счет применения в составах разнообразных компонентов с различным содер­жанием добавок. Мощность других установок составляет от 1000 до 25000 т/год. В зависимости от желания заказчика производство может быть выполнено:

· в стационарном исполнении при капитальном строительстве или размещения оборудова­ния в имеющихся свободных помещениях;

· в технологическом модульном исполнении: с размещением модулей в имеющихся стацио­нарных зданиях или здании из легких металлических конструкций;

· в контейнерном исполнении;

· в передвижном блоке с установкой на автомашине, железнодорожном вагоне и т.д.

Дата добавления: 2014-01-07