Исследования газовой вредности взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ОАО «НЦ ВостНИИ»)

ФГБОУ ВПО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

Исследования газовой вредности взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов

В.П. Доманов (канд. техн. наук, заведующий лабораторией )

Ю.В. Варнаков (канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник)

Д.Н. Батраков (научный сотрудник)

К.А. Плешаков (научный сотрудник), К.Ю. Варнаков (студент)

Аннотация

Доманов Виктор Петрович

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Варнаков Юрий Владимирович

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Батраков Дмитрий Николаевич

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Плешаков Константин Анатольевич

е-mail: vostnii-bvr@yandex.ru

Варнаков Кирилл Юрьевич

е-mail:exteel@ngs.ru

Рассматриваются метод и результаты исследований газовой вредности бестротиловых взрывчатых веществ, предназначенных для формирования скважинных зарядов.

Ключевые слова: ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ, МАССОВЫЙ ВЗРЫВ, ГАЗЫ ВЗРЫВА, ТОКСИЧНОСТЬ

газовый взрывчатый скважинный токсичность

Annotatіon

Studies of gas hazard explosives intended to form bore-hole charges

V.P. Domanov, Yu.V. Varnakov, D.N. Batrakov, K.A. Pleshakov, K.Yu. Varnakov

Methods and results of investigations of gas harmful properties of trotyl-free explosives intended for the formation of bore-hole charges are reviewed.

Key words: EXPLOSIVES, EXPLOSION WORKS, MASS EXPLOSION, EXPLOSION GASES, TOXICITY

Проблема защиты окружающей среды от продуктов производственной деятельности человека в настоящее время является приоритетной.

В России для ведения взрывных работ производится и потребляется по разным оценкам от 700 тыс. до 1 млн тонн промышленных взрывчатых веществ (ВВ), до 70 % от общего объема которых используется в Кузбассе. Подавляющее большинство взрывчатых веществ применяется для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности.

Отказы скважинных зарядов и неполнота протекания реакции взрывчатого превращения по разным причинам являются основными источниками загрязнения окружающей среды. При этом в атмосферу горнодобывающих предприятий выбрасываются миллионы кубических метров токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва, а также загрязняются сточные воды предприятий в результате растворения и вымывания части компонентов из состава ВВ.

Основными причинами отказов и неполноты детонации скважинных зарядов являются недостаточная водоустойчивость применяемых взрывчатых веществ и неравномерность распределения компонентов ВВ по объему взрываемых зарядов.

Частичная потеря компонентов вследствие вымывания грунтовыми водами приводит не только к уменьшению эффективности взрыва сформированных зарядов, но и к изменению кислородного баланса (КБ) применяемых ВВ, что, в свою очередь, влечет за собой повышенное выделение токсичных газообразных продуктов взрыва.

Неравномерность распределения компонентов в объеме скважинного заряда также снижает эффективность действия взрыва, приводит к изменению КБ взрывчатых веществ в различных частях взрываемого заряда и, как следствие, к повышенному выделению токсичных газов взрыва. Неравномерность распределения компонентов по объему скважинного заряда может быть вызвана различными причинами, в том числе некачественным смешением компонентов в процессе изготовления ВВ, неоптимальным гранулометрическим составом, а, следовательно, смещением равновесия протекания реакции взрывчатого превращения или ошибками в расчетах параметров скважинного заряда при составлении проекта буровзрывных работ.

Устранение большинства перечисленных негативных явлений возможно только при наличии стендовых методов испытаний, позволяющих еще на стадии разработки составов и постановки их на производство оценить количество токсичных составляющих газов, выделяющихся при взрыве испытуемых зарядов ВВ, в том числе после их выдержки в грунтовых водах.

В соответствии с вышеизложенным сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ» был разработан стенд для определения количества токсичных газов, образующихся при взрывании ВВ 1 и методика «Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения токсичных газов взрыва ВВ с пониженной чувствительностью к детонации» 2. Стенд представляет собой герметичную стальную камеру с внутренним объемом 7 м3, схема которой приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 Камера для взрывания зарядов ВВ и отбора проб газов после взрыва 1 - корпус камеры; 2 - укрепляющие пояса; 3 - клеммы для присоединения взрывной магистрали; 4 - манометр; 5 - штуцер отбора проб; 6 - термокарман; 7 - устройство крепления крышки люка;8 - фундамент; 9 - вентилятор; 10 - мортира

Камера такого объема подобрана с учетом возможности взрывания до 1,0 кг ВВ с пониженной чувствительностью к детонации и ее механической прочности. Камера представляет собой пустотелый цилиндр, оснащенный двумя эллиптическими днищами, с толщиной стенок 36 мм. Оба днища имеют эллиптические крышки, открывающиеся вовнутрь и имеющие по два узла крепления с помощью шпилек на крышке и гаек для герметизации в закрытом положении.

Камера располагается на двух массивных бетонных основаниях (опорах). Между камерой и опорами проложены резинотканевые прокладки. Камера закреплена поясами, заделанными в фундаменты, и оснащена электродами для присоединения изнутри проводов электродетонатора, снаружи - магистрального провода, манометром для измерения давления газов после взрыва внутри камеры, штуцером для отбора проб газов взрыва, карманом для измерения температуры внутри камеры, системой принудительного проветривания со стальной задвижкой и вентилятором.

К фланцу с нижней стороны камеры болтами через прокладку подсоединена мортира с диаметром канала 110 мм и глубиной 300 мм. Мортира в момент взрыва располагается на массивном бетонном фундаменте для предотвращения смещения в процессе детонации испытуемого заряда.

При разработке методических основ определения выделившегося количества газов при взрыве испытуемых ВВ и их токсичности из исследованных схем взрывания по полноте детонации наиболее приемлемой следует считать схему размещения зарядов в неразрушаемой стальной мортире. В этих условиях образуется минимальное количество вредных газов. Это объясняется наиболее полным по сравнению с другими испытанными оболочками заряда выделением энергии взрывчатого превращения и протеканием вторичных реакций еще в канале мортиры. Тем более, что данная схема моделирует расположение заряда в скважине и взаимодействие продуктов детонации с атмосферой.

При проведении взрываний исследуемые взрывчатые вещества патронировались в гильзы диаметром 80 мм с зазором, равным 15 мм, между гильзой заряда из алюминиевой фольги и стенкой канала мортиры, а также его дном для снижения износа канала мортиры за счет температурной эрозии металла. Масса испытуемого ВВ в таком заряде была равна 800 г, а масса промежуточного детонатора из аммонита № 6ЖВ - 200 г. Промежуточный детонатор патронировался в бумажную гильзу диаметром 50 мм. После размещения заряда камера герметизировалась, и производилось взрывание. По истечении определенного промежутка времени измерялись давление внутри камеры, температура и отбирались пробы газа.

Схема расположения испытуемого заряда в камере представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 Схема расположения заряда ВВ в мортире взрывной камеры 1 - фундамент; 2 - мортира; 3 - ограничительное кольцо; 4 - заряд испытуемого ВВ;5 - промежуточный детонатор; 6 - электродетонатор; 7 - присоединительный патрубок

Отбор проб газов взрыва осуществлялся через штуцер отбора проб в стеклянные вакуумированные емкости, которые отправлялись на фотоколориметрический анализ. Условия фотоколориметрического анализа: тип фотоколориметра - ФЭК-56М; длина кюветы - 10 мм; длина волны - 540 мм (светофильтр № 6).

Общее количество газов после взрывания в камере рассчитывалось по формуле:

V0=, (1)

где Vk - объем камеры, л;

Pk и Pатм - соответственно давление в камере и атмосфере, Па;

t - температура в камере во время отбора проб газа, оС;

G - масса взрываемого заряда с промежуточным детонатором, г.

Содержание отдельных газов Vi определялось по формуле:

Vi=V0, (2)

где С - концентрация конкретного компонента газовой смеси, %.

В режиме хроматографического анализа газов взрыва измерялся процентный состав газовой смеси водорода, кислорода, оксида углерода II, углекислого газа, предельных и непредельных углеводородов.

Оксиды азота измерялись фотоколориметрическим методом, основанным на поглощении NO2 щелочью с образованием солей азотистой и азотной кислоты. Азотистая кислота определялась колориметрически по реакции образования азокрасителя с раствором Грисса-Илосвая:

2NO2 + 2 NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O. (3)

Пробы газа взрыва для определения оксидов азота отбирались в стеклянные бюретки вместимостью 500 мл, в которые предварительно вводили по 20 мл 0,1 моль/л раствора NaOH и откачивали воздух до остаточного давления 0,113 кПа. После отбора проб газа и сбрасывания давления до атмосферного бюретки выдерживали в течение 2 ч, встряхивая время от времени. Для проведения анализа пробы из раствора щелочи объемом 1; 0,1 или 0,01 мл вносили в колориметрические пробирки, объем жидкости доводился до 5 мл с помощью 0,1 моль/л раствора NaOH. Затем в пробирки добавлялось по 1 мл раствора Грисса-Илосвая и пробирки взбалтывались. Через 20 мин измерялась оптическая плотность раствора по фотоколориметру.

Исследованиям токсичности газов взрыва подвергнуты все наиболее широко применяемые промышленные взрывчатые вещества, изготавливаемые специализированными предприятиями-изготовителями России, а также новые составы ВВ, разработанные лабораторией безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ», в том числе эмульсионные взрывчатые вещества.

Сведения о результатах исследований по определению содержания токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва промышленных ВВ приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты исследований газов взрыва промышленных ВВ, выполненных в герметичной камере

Примечание - При расчете токсичных составляющих газов взрыва в пересчете на условный оксид углерода II экспериментально полученное суммарное содержание оксидов азота следует увеличивать в 6,5 раз

Из сведений, приведенных в таблице 1, видно, что наиболее экологически чистыми взрывчатыми веществами, предназначенными для формирования скважинных зарядов, являются водоэмульсионные взрывчатые вещества. Количество выделяемых ЭВВ при взрыве токсичных газов находится в пределах от 20 до 25 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II.

Гранулиты при взрыве выделяют большее количество токсичных газов. Игданит, содержащий в своем составе 5,5 % дизельного топлива, выделяет до 30 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II 3. При массовых долях ферросилиция 12,0 % и масла индустриального 3,5 % в составе гранулита АФ-12 количество выделяемых токсичных газов взрыва достигает 80 л/кг также в пересчете на условный оксид углерода II 4. Для гранулита ЭМ-6, содержащего в качестве горючих добавок пылевидный уголь при массовой доле 5,0 %, алюминиевую пудру - 2,0 % и эмульсионную матрицу в количестве 6,0 %, количество выделяемых токсичных газов взрыва составляет не более 40 л/кг 5.

Сравним точность оценки количества токсичных составляющих газообразных продуктов взрыва в стендовых условиях ОАО «НЦ ВостНИИ» с точностью существующих расчетных методик, применяемых для определения их количества в процессе проведения массовых взрывов скважинными зарядами на земной поверхности.

Для расчета параметров пылегазового облака используем методику «Пылегазовое облако при взрывных работах», изложенную в разделе 6, подразделе 6.10 «Сборника методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами» 6.

В качестве исходных данных для расчета используем результаты приемочных испытаний гранулита ЭМ-6, разработанного сотрудниками лаборатории безопасности взрывных работ ОАО «НЦ ВостНИИ». Приемочные испытания выполнены в период с 2005 по 2006 гг. в ООО «СПБВР «Уралвзрыв» в промышленных условиях карьеров ОАО «Сухоложский цемент», ООО «Бобровский карьер камня» и ЗАО «Гора Хрустальная» в общем объеме испытуемого ВВ 317,8 т. Испытания проведены в сравнении с гранулитом АФ-12 (ТУ 7276-113-07511819-99), допущенным Ростехнадзором к постоянному применению.

Как известно, пылегазовое облако, образующееся при взрыве скважинных зарядов промышленных ВВ на открытых горнодобывающих предприятиях, представляет собой залповый неорганизованный выброс взвешенных частиц пыли взрываемых пород и комплекс газов, в том числе токсичных, образующихся в результате взрывчатого превращения. Дополнительно к этому взорванная горная масса представляет собой постоянно действующий в течение всего периода экскавации неорганизованный источник загрязнения атмосферы. Загрязнение атмосферы токсичными газообразными составляющими продуктов осуществляется двумя путями, а именно выделением токсичных газов из пылегазового облака непосредственно при проведении массовых взрывов и выделением токсичных газов, захваченных взорванной горной массой.

Согласно выбранной для сравнения методике расчетов 6, используемой гидрометеорологическими подразделениями, количество токсичных газов взрыва, выбрасываемых в атмосферу пылегазовым облаком, определяется для гранулитов марок АФ-12 и ЭМ-6 раздельно для каждого взрывчатого вещества.

При этом для упрощения вычислений проведем расчет исключительно для токсичных газов, выделяемых при массовых взрывах, без учета количества пыли согласно формуле, имеющей общий вид:

, т/взрыв, (4)

где - безразмерный коэффициент, учитывающий выделение токсичных газов из взорванной горной массы. Значения коэффициента при расчете:

для оксида углерода II (СО) - 1,5;

для оксидов азота (NxOy) - 1,0;

К - безразмерный коэффициент, учитывающий гравитационное оседание вредных веществ. Значения коэффициента при расчете количества газов - 1,0;

А - масса взорванного взрывчатого вещества, т;

q - удельное выделение вредных веществ при взрыве 1,0 т ВВ (принятое в зависимости от удельного расхода взрывчатого вещества на 1 м3 взорванной горной массы), составляющее, т/т:

для оксида углерода - 0,79;

для оксидов азота - 0,0025;

- эффективность пылегазоподавления. При использовании гидрозабойки взрывных скважин значения коэффициента газоподавления продуктов взрыва - 0,85.

1 Выброс оксида углерода. В случае использования гранулита АФ-12 выброс оксида углерода II при проведении одиночного массового взрыва составит = 0, 148 т/взрыв. В случае использования при взрывных работах гранулита ЭМ-6 аналогичный выброс оксида углерода II составит = 0,022 т/взрыв.

2 Суммарный выброс оксидов азота в случае использования при взрывных работах гранулита АФ-12 составит = 0,049 т/взрыв. Для гранулита ЭМ-6 значение данного показателя составит = 0,0074 т/взрыв.

3 Количество вредных веществ, выделяющихся из отбитой горной массы после проведения массового взрыва, по окиси углерода принимается равным 50 % от его залпового выброса в атмосферу с пылегазовым облаком.

Количество оксидов азота, выделяющихся из отбитой горной массы, принимается равным нулю вследствие того, что в газообразном состоянии оксиды азота находятся достаточно малый промежуток времени - доокисляются атмосферным кислородом и растворяются в грунтовых водах в виде азотистой и азотной кислот.

4 Общий валовый выброс от проведения одного массового взрыва вычисляют как сумму показателей, определенных по пп. 1 и 2 с учетом п. 3 для каждого из испытуемых промышленных взрывчатых веществ, предназначенных для формирования колонки скважинного заряда по формуле:

= + + , т/взрыв. (5)

Общий валовый выброс вредных веществ после проведения одного массового взрыва для гранулита АФ-12 составляет 0,271 т/взрыв.

Общий валовый выброс вредных веществ после проведения одного массового взрыва для гранулита ЭМ-6 составляет 0,04 т/взрыв.

Полученные расчетные данные токсичности гранулитов сравниваемых марок показывают, что токсичность гранулита АФ-12 превышает аналогичные показатели гранулита ЭМ-6 практически в 6,78 раза, то есть количество выделяемых при взрыве гранулита АФ-12 токсичных газообразных продуктов должно составлять 39,45 л/кг • 6,78 = 267,5 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II), а этого не может быть по определению. Согласно сведениям 7, самый высокотоксичный из промышленных взрывчатых веществ - гранулотол выделяет при взрыве до 208 л/кг в пересчете на условный оксид углерода II.

Согласно результатам взрываний в мортире герметичной камеры зарядов гранулита АФ-12 суммарное значение токсичных газообразных продуктов взрыва составляет 78,35 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II), что подтверждается сведениями 4, - не более 80 л/кг (в пересчете на условный оксид углерода II).

Из проведенного сравнения результатов экспериментов и расчетных методов определения количества токсичных составляющих продуктов взрыва наиболее точным является метод определения при взрывании испытуемых зарядов в канальной мортире в герметичной камере.

При проведении исследований газообразные продукты взрыва заключены в герметичный сосуд и не могут быть разбавлены атмосферным воздухом. При своевременном отборе газовых проб после взрыва испытуемых зарядов ВВ для проведения определений токсичных составляющих исключается расслоение газов по плотностям.

Библиографический список

1 Пат. № 79940 на ПМ, Российская Федерация, МПК Е21С 37/00. Стенд для определения количества ядовитых газов, образующихся при взрывании ВВ [Текст] / Варнаков Ю.В., Доманов В.П.; заявитель и патентообладатель Варнаков Ю.В. - №2008133172/22; заявл.12.08.08; опубл. 20.01.09, Бюл. №2.

2 Вещества взрывчатые промышленные. Метод измерения токсичных газов взрыва ВВ с пониженной чувствительностью к детонации. - Кемерово: ВостНИИ. - 1990. - 18 с.

3 ТУ 7276-001-04683349-98 Вещество взрывчатое промышленное. Гранулит «Игданит-II». Технические условия.

4 ТУ 7276-113-07511819-99 Вещества взрывчатые промышленные. Гранулиты АФ. Технические условия.

5 ТУ 7276-067-00173769-2005 Вещества взрывчатые промышленные. Гранулит ЭМ-6. Технические условия.

6 Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - С. 26 - 31.

7 Андреев, К.К. Теория взрывчатых веществ / К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз, 1960. - 597 с.

Размещено на Allbest.ru