Оценка влияния содержания жидкого топлива и влаги в твердой фазе гранэмитов на теплоту их взрывчатого разложения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка влияния содержания жидкого топлива и влаги в твердой фазе гранэмитов на теплоту их взрывчатого разложения

Брагин П.А.(1), Горинов С.А.(1), Иляхин С.В. (2), Маслов И.Ю.(1)

(1) ООО «Глобал Майнинг Эксплозив-Раша» ( г.Москва)

(2) Российский государственный геологоразведочный университет

им. Серго Орджоникидзе (г. Москва)

В работе приведено критериальное соотношение между влажностью аммиачной селитры и массовой долей топливной фазы в ANFO, входящего в состав гранэмита, при которых возможно самоподдерживающее взрывчатое разложение в гранэмите. Показано, что влажность аммиачной селитры в твердой фазе гранэмита оказывает существенное влияние на величину тепловыделения для гранэмитов И-70 (содержащих 70% и более сухой фазы, в виде ANFO), а для гранэмитов И-30 (содержащих 30% и менее сухой фазы, в виде ANFO) влияние влажности незначительно.

Полученные результаты представляют интерес для горных предприятий, применяющих ВВ местного производства и расположенных вдали от развитой транспортной инфраструктуры.

Ключевые слова: гранэмиты, влажность аммиачной селитры, теплота реакции взрывного разложения.

Актуальность работы. Гранэмиты представляют собой смесь эмульсионного ВВ (или матричной эмульсии) с ANFO. ANFO, входящее в состав гранэмитов, составляет твердую фазу данных ВВ. Численный индекс в обозначении марки гранэмита указывает на процентное содержание в нем твердой фазы в виде ANFO. Эмульсионная фаза гранэмитов представлена эмульсией, которая может быть, как сенсибилизированной газовыми пузырьками или полыми микросферами, так и несенсибилизированной [1]. Безопасность и относительная дешевизна данных ВВ, а также возможность механизации зарядных работ с их применением послужили широкому распространению данных ВВ при добыче твердых полезных ископаемых в РФ и мировой практике [2].

При изучении гранэмитов были рассмотрены важные вопросы их эффективного применения [1-12]:

- водоустойчивость и вязкость гранэмитов в зависимости от соотношения «эмульсия : ANFO»;

- выбор средств инициирования гранэмитов;

- возможность использования гранул пористой аммиачной селитры одновременно, как в качестве энергетического материала, так и в качестве сенсибилизатора эмульсионной фазы гранэмита;

- влияние сенсибилизации эмульсионной фазы гранэмита на детонационные характеристики ВВ;

- снижение устойчивости эмульсии вследствие абсорбции топливной фазы эмульсии гранулами аммиачной селитры;

- выяснение условий наиболее полного выделения энергии при детонации гранэмитов.

Однако в результатах указанных исследований не учтено, что ANFO, входящее в состав твердой фазы гранэмитов, может формироваться на основе гранул аммиачной селитры повышенной влажности. Данное обстоятельство является нехарактерным для горных предприятий, расположенных в областях с развитой транспортной инфраструктурой. Однако, при освоении богатых месторождений твердых полезных ископаемых в труднодоступных и малообжитых районах Полярного Урала, Восточной Сибири и Дальнего Востока повышенная влажность аммиачной селитры, доставляемой на предприятия для производства местного ВВ, приобретает роль практически постоянно сопутствующего фактора. Это является последствием значительной удаленности осваиваемых месторождений полезных ископаемых от обжитых районов страны и отсутствием развитой транспортной инфраструктуры.

Начальная влажность аммиачной селитры не отражается на качестве эмульсионной фазы гранэмитов, т.к. она учитывается при расчете необходимого количества воды при изготовлении окислительной фазы эмульсии.

Однако начальная влажность аммиачной селитры отражается на взрывчатых свойствах твердой фазы гранэмитов. Известно, что при влажности АС более 1% детонационные параметры ANFO резко снижаются, а при влажности АС больше 4% детонация смеси становится невозможной [13-15].

Повышенное содержание жидкого нефтепродукта также отрицательно сказывается на взрывчатых способностях ANFO. Известно, ANFO с содержанием жидкого нефтепродукта более 9% не детонационно способны [16].

Указанные свойства смеси АС с жидкими нефтепродуктами соответствуют случаю использования ее в качестве самостоятельного ВВ (ANFO, игданит). При взрывании гранэмитов реакция взрывчатого разложения твердой фазы происходит одновременно с детонацией эмульсионной фазы. Это не может не отразиться на требованиях к содержанию жидкого топлива и влаги в твердой фазе гранэмитов.

Решение вопроса о предельно допустимых значениях влажности и содержания жидкого топлива в твердой фазе (ANFO) гранэмитов является актуальным, т.к. представляет большое значение для удаленных горных предприятий, самостоятельно производящих ВВ и имеющих в распоряжении аммиачную селитру повышенной влажности. В настоящей работе представлена оценка влияния содержанию жидкого топлива и влаги в твердой фазе гранэмитов на теплоту их взрывчатого разложения.

Результаты исследований. Предварительно оценим влияние содержания жидкого топлива и влаги в ANFO на возможность осуществления в них самоподдерживающей реакции.

Реакция взрывчатого разложения смеси аммиачной селитры и жидкого нефтепродлукта является многоэтапной [17]. На начальном этапе (температура продуктов реакции не превышает 360°С) аммиачная селитра распадается преимущественно по уравнению [17, 18]

гранэмит аммиачный селитра тепловыделение

. (1)

Одновременно происходит испарение влаги и жидкого топлива.

Для определенности положим, что рассматриваемый жидктий нефтепродукт - дизельное топливо, имеющее относительную плотность при температуре 20°С = 0,83 и температуру самовоспламенения = 330°С (марка «А», ГОСТ 305-2013). На основании соотношений, приведенных в работе [19], определяем необходимые для дальнейших расчетов значения (зависимости) физико-химических параметров для данного топлива:

относительная плотность при 15,6°С (60°F) = 0,8343.

молекулярная масса = 181 г/моль (хим.формула );

cредняя молярная температура кипения - = 227°С;

характеризующий фактор - = 11,57;

мольная теплоемкость жидкого топлива при температуре °С , ккал/(моль*град) - ;

мольная теплоемкость паров топлива при температуре °С , ккал/(моль*град) - ;

мольная теплота испарения топлива , ккал/моль - = 11,24;

теплота образования (вычислялась по закону Гесса, исходя из низшей теплоты сгорания дизтоплива - 10180 ккал/кг), ккал/моль - 101,9.

Предположим, что для возможности самоподдерживающей реакции взрывчатого разложения ANFO в присутствии воды необходимо, чтобы теплоты реакции разложения аммиачной селитры на начальном этапе было достаточно для разогрева продуктов разложения селитры, паров воды и паров дизтоплива до температуры самовоспламенения этих паров. После вспышки взаимодействие паров дизтоплива с сильно реакционной закисью азота будет происходить во взрывном режиме.

Имеем следующее уравнение физико-химических процессов на начальном этапе взрывной реакции:

. (2)

Расчеты показывают, что в ходе реакции (2) при разложении 1 моля выделяется теплота

, ккал, (3)

где - мольная теплота нагрева (начальная температура дизтоплива - = 20°С; конечная температура паров дизтоплива =330°С) и испарения дизтоплива:

(4)

Теплоемкость продуктов реакции (2) при разложении 1 моля равна (ккал/град)

, (5)

где , - мольные теплоемкости закиси азота () и паров воды () при температуре самовоспламенения паров дизтоплива (рассчитываются по теории Дебая-Эйнштейна [21]).

На основании (5) и данных о мольной теплоемкости продуктов реакции (2) при = 330°С имеем

, (6)

где = 0,0019865 ккал/(моль*град) - универсальная газовая постоянная.

Если теплоты реакции разложения аммиачной селитры на начальном этапе будет достаточно для разогрева продуктов разложения селитры, паров воды и паров дизтоплива до температуры самовоспламенения этих паров, то выполняется неравенство

. (7)

Обозначим через - массовую долю дизтоплива в смеси с аммиачной селитрой (без учета влаги), а через - влажность аммиачной селитры. На основании (2) получаем

и , (8)

где , - молекулярная масса аммиачной селитры и воды, соответственно.

На основании (3), (4), (6)-(8) получаем следующее ограничение на величины массовой долю дизтоплива и влаги в аммиачной селитре, при которых теплоты реакции разложения аммиачной селитры на начальном этапе будет достаточно для разогрева продуктов разложения селитры, паров воды и паров дизтоплива до температуры самовоспламенения этих паров

. (9)

Из (9) вытекают следующие ограничения на максимальные значения параметров и :

и .

Данные ограничения соответствуют экспериментальным данным для ANFO, приведенным в работах [13, 14, 16]. Это подтверждает корректность нашего предположения о необходимом условии осуществления самоподдерживающей реакции взрывчатого разложения ANFO.

В случае если ANFO входит в состав гранэмита, ограничения на допустимые значения параметров и будут менее жесткими. Это связано с тем, что вещества, входящие в ANFO, разогреваются перед вступлением в реакцию под действием ударного сжатия со стороны продуктов детонации эмульсионной фазы гранэмита.

Условие (7) - достаточности теплоты реакции разложения аммиачной селитры на начальном этапе для разогрева продуктов разложения селитры, паров воды и паров дизтоплива до температуры самовоспламенения этих паров, в этом случае запишется в виде

, (10)

где - увеличение температуры вещества ANFO при ударном сжатии под действием продуктов детонации эмульсионной фазы гранэмита.

Согласно [12, 21]

, (11)

где - детонационное давление эмульсионной фазы гранэмита;

, , - начальная плотность, удельная теплоемкость гранэмита и скорость звука в нем, соответственно; - показатель Тэта в законе сжимаемости гранэмита.

Обозначим через величину массовой доли твердой фазы в гранэмите.

Для оценочных расчетов принимаем, что

, а , (12)

где - скорость детонации гранэмита величине массовой доли твердой фазы равной ; , - скорость детонации эмульсионной фазы и ANFO, соответственно. Значения других параметров принимаем равными = 1,35 г/см3; = 0,45 ккал/(кг*град); = 2300 м/с.

В рассматриваемом случае реакции взрывчатого разложения ANFO запишутся в следующем виде:

А). При избытке топлива -

, (13)

где .

В). При недостатке топлива -

, (14)

где .

Случай соответствует стехиометрическому соотношению.

Введем обозначения

и . (15)

Из уравнений (13), (14) с учетом обозначений (15) получаем

А). Теплота разложения АNFO при избытке топлива равна

; (16)

В). Теплота разложения АNFO при недостатке топлива равна

. (17)

Рис.1. Зависимость теплоты взрыва гранэмита от влажности аммиачной селитры в твердой фазе при различных значениях .

На основании (10)-(17) построены графические зависимости:

- на рис.1 приведены значения теплоты взрыва гранэмита в зависимости от влажности аммиачной селитры в твердой фазе при различных значениях ;

- на рис.2 приведены оптимальные значения массовой доли топливной фазы в твердой фазе в зависимости от влажности аммиачной селитры при различных значениях .

Рис.2. Зависимость оптимального значения массовой доли топливной фазы в твердой фазе от влажности аммиачной селитры при различных значениях .

При построении рис.1 и рис.2. теплота взрыва эмульсионной фазы принималась равной 650 ккал/кг.

Выводы

В результате выполненных исследований показано:

1. Предположение, что для возможности самоподдерживающей реакции взрывчатого разложения ANFO в присутствии воды необходимо, чтобы теплоты реакции разложения аммиачной селитры на начальном этапе было достаточно для разогрева продуктов разложения селитры, паров воды и паров дизтоплива до температуры самовоспламенения этих паров, является корректным.

2. Получено критериальное соотношение между влажностью ANFO и массовой доли топливной фазы при которых возможно самоподдерживающее взрывчатое разложение в гранэмите.

3. Влажность аммиачной селитры в твердой фазе оказывает существенное влияние на величину тепловыделения для гранэмитов с содержанием сухой фазы (в виде ANFO) 70% и более.

4. Влажность аммиачной селитры в твердой фазе практически не оказывает влияние на величину тепловыделения для гранэмитов с содержанием сухой фазы (в виде ANFO) 30% и менее.

Полученные результаты представляются важными для горных предприятий, применяющих ВВ местного производства и расположенных в удаленных районах страны, где отсутствует хорошая транспортная инфраструктура.

Литература

1. Маторин А.С., Павлютенков В.М. Водосодержащие взрывчатые вещества местного приготовления. Екатеринбург: УрО РАН, 2004.- 194с.

2. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. 1-я книга (Составы и свойства). Дзержинск Нижегородской области, изд. ГосНИИ «Кристалл», 2009. 592с.

3. Колганов Е.В., Соснин В.А. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. 2-я книга (Технология и без)опасность. Дзержинск Нижегородской области, изд. ГосНИИ «Кристалл», 2009. 336с.

4. Результаты приемочных испытаний гранэмита марки И-50 в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» / Андреев А.С., Дресвянников А.П., Котяшев А.А. и др. // Известия вузов. Горный журнал, 1999, №9-10, с. 18-22.

5. Бондаренко И.В., Хон В.И., Никитин Р.Я. Особенности применения эмульсионных ВВ в условиях кимберлитовых карьеров АК «АЛРОСА» // Технология и безопасность взрывных работ: материалы научно-технической конференции «Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле», прошедшей в рамках IV Уральского горнопромышленного форума 12-14 октября 2011 г. - Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012, с.155-162.

6. Применение эмульсионных ВВ - гранэмитов на карьере Михайловского ГОКа / Бруев В.П., Олименко В.М., Королев И.И., Комаров Б.Е. // Горный журнал, 2002, № 11-12, с.52-55, 110.

7. Синицын В.А., Котяшев В.С. Эффективность применения взрывчатых веществ на основе обратных эмульсий на карьерах ОАО Качканарского ГОКа // Горн.инфор.-аналит. Бюлл. (ГИАБ), 2009, №12, С.361-364.

8. Перспективные взрывчатые материалы для горной промышленности/ Щукин Ю.Г., Чернышов С.Н., Коломинов И.А. и др./ В кн.: Развитие ресурсосберегающих технологий во взрывном деле. - Екатеринбург, 2009, с.108-118.

9. Улучшение качества взрывной подготовки горной массы за счет применения промежуточных детонаторов с оптимальными габаритными размерами при инициировании скважинных зарядов эмульсионных ВВ / Маслов И.Ю., Пупков В.В., Фоменкова В.Е. и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2003, №5, с.54-55.

10. Фокин В.А. Обоснование геометрических параметров удлиненной шашки-детонатора для обратного инициирования скважинных зарядов газифицированных эмульсионных взрывчатых веществ // Изв. ВУЗов. Горный журнал, 2008, №3, с.49-54.

11. Кутузов Б.Н., Горинов С.А. Инициирование эмульсионных ВВ и гранэмитов промежуточными детонаторами // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №7.- Препринт, С.5-19.

12. Горинов С.А. Теоретическая оценка детонационных параметров гранэмитов // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010, №8, С.121-130.

13. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра, 1988. 358 с.

14. Демидюк Г.П., Бугаевский А.Н. Средства механизации и технология взрывных работ с применением гранулированных ВВ. М.: Недра, 1975. 312с.

15. Друкованый М.Ф. Методы управления взрывом на карьерах. М.: Недра, 1973. 416с.

16. Вовк А.А. Справочник взрывника. Киев, Гостехлитиздат, 1963. 526с.

17. Теория горения и взрыва. Кукин П.П., Юшин В.В., Емельянов С.Г. и др. М.: Юрайт, 2014. 435с.

18. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов / Манелис Г.Б., Назин Г.М., Рубцов Ю.И., Струнин В.А. - М.: Наука, 1966.- 223с.

19. Розман Б.Ю. О термической стойкости аммиачной селитры. - Л.: ЛИИТВ, 1957.- 131с.

20. Моисеев А.В. Расчетные методы определения физико-химических свойств углеводородных систем, нефтей и нефтепродуктов: Примеры и задачи: учеб. пособие. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. 179с.

21. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва.- М.:Физматгиз, 1959. 800с.

Размещено на Allbest.ru