Современные тенденции в области взрывных работ и взрывчатых веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные тенденции в области взрывных работ и взрывчатых веществ

Практически все взрывчатые вещества (ВВ), используемые в промышленности, являются смесевыми системами. Основу этих взрывчатых смесей составляет окислитель, аммиачная селитра (АС) и дополнительные компоненты в качестве горючих и технологических добавок (различные нефтепродукты, уголь, карбамид, алюминий и т.д.). Доля АС в составе общей массы применяемых ВВ достигает 80-96%.

Россия после США и Китая является одним из ведущих государств мира по объемам производства взрывных работ, причем реальный сектор экономики нашей страны напрямую связан с использованием энергии взрыва. В настоящее время наибольшее количество взрывчатых веществ применяется в горной промышленности и строительстве, где взрывной способ разрушения является практически безальтернативным методом подготовки крепких горных пород к выемке.

Общий объем применения ВВ промышленного назначения во всем мире оценивается в пределах 8 млн т. Крупнейшими потребителями ВВ являются США, Китай (потребление ВВ около 2 млн т в каждой из стран) и Россия. Объем применения ВВ в России в 2007 г. составил около 1,2 млн т. Доля ЭВВ в общем объеме потребления ВВ в нашей стране достигает 35-40%.

Важно отметить, что почти 70% от общего объема ВВ применяется к востоку от Урала, а более половины - в Кузбассе и Байкальском регионе. При этом ведется постоянное совершенствование составов и структуры смесей за счет применения новых компонентов, а также изменения технологических приемов и режимов изготовления. Примером являются активные поиски для смесей на основе аммиачной селитры новых видов веществ, горючих добавок, альтернативных применяемым горючим из числа нефтепродуктов. Придание высокой детонационной способности системе, помимо повышения эффективности ее действия, снижает вероятность отказа детонации и, следовательно, способствует повышению безопасности взрывных работ. Это определяет необходимость и актуальность изучения смесевых ВВ и их компонентов по таким факторам, как детонационные свойства и физическая совместимость. В целом принципиальных отличий в номенклатуре и физико-механических свойствах используемых промышленных ВВ другими горнодобывающими странами мира нет.

В отличие от мировой практики в России не производится сырье необходимого качества для изготовления смесевых ВВ различных типов. В первую очередь это относится к основному по объему применения компоненту - аммиачной селитре, в том числе и пористой. Селитра, выпускаемая в России под марками «пористая» (существует несколько разновидностей продукта и заводов-изготовителей), уступает по ряду показателей аналогам зарубежных производителей, что подтверждено большим количеством лабораторно-полигонных исследований и испытаний в промышленных условиях. Критический диаметр смеси АС-ДТ зависит от марки используемой пористой аммиачной селитры (ПАС): 51 мм - для ПАС производства США, 61 мм - для ПАС производства французской фирмы GP и 81 мм - для ПАС производства «Акрон» (Россия) 1.

Результаты испытаний опубликованы в печати и регулярно сообщаются на научных конференциях и симпозиумах по взрывному делу. Все особенности селитры марок «пористая» в России обусловлены принятой технологией изготовления по методу приллирования и последующего химического газонаполнения (вспенивания) капель-гранул, которые получаются в виде сферических тел с гладкой скорлупообразной внешней оболочкой и полостями-порами «замкнутого» или «закрытого» типа. Известно, что наиболее эффективной и применяемой для изготовления ВВ практически во всем мире является пористая аммиачная селитра с частицами-гранулами неправильной (не сферической) формы и пористостью полностью или частично открытого типа.

Строение и структура гранул ПАС определяют возможности использования этого продукта в составе ВВ различных типов, которые подразделяются на две приблизительно одинаковые по объему применения группы:

1 - механические смеси АС (ПАС) в исходном (гранулированном) состоянии с горючими добавками и в первую очередь с дизельным топливом (ДТ) - смеси АС-ДТ, «Игданит», гранулиты или ANFO;

2 - композиционные системы в виде комбинаций смесей АС-ДТ с ВВ эмульсионного типа (ЭВВ) - смеси типа «Эмулан», «Гранэмит» или «тяжелое» ANFO.

Если для смесей первой группы использование АС марок «пористая» российского производства является приемлемым, то для ВВ второй группы оно является проблематичным и нигде в России в требуемых объемах не реализовано.

Еще одним видом сырья для ВВ, которое не выпускается азотной промышленностью России, является АС в «чистом» виде, например в кристаллическом состоянии. Проблема «чистой» АС частично может быть решена путем отгрузки отдельным потребителям АС в виде плава, но это не решает проблемы в целом.

Свойства ВВ в первую очередь определяются свойствами АС как химического вещества и физической формой этого вещества в ВВ. В то же время в России промышленные ВВ часто применяются без достаточной проверки взрывчатых и безопасных свойств из-за непригодности большинства методов испытания для их качественного определения и оценки. Механизм и кинетика детонации смесевых ВВ являются до настоящего времени одним из наименее разработанных разделов теории ВВ. Отсюда следует сложность и недостаточная достоверность расчетов параметров детонации ВВ. Все это снижает реальную эффективность их использования, т.к. повышает опасность взрывных работ и усиливает их вредное экологическое воздействие на окружающую среду.

Анализ стандартных способов и методов испытаний ВВ показал, что экспериментальные исследования взрывных характеристик смесевых гранулированных и эмульсионных ВВ имеют ряд существенных особенностей в отличие от индивидуальных ВВ, связанных в первую очередь с большим критическим диаметром этих составов. При этом следует отметить, что наиболее известный в России игданит - смесь плотной аммиачной селитры с дизельным топливом в пропорции 94,5:5,5 - пока не находит широкого применения на отечественных горнорудных предприятиях из-за низкой физической стабильности в результате расслоения смеси на исходные составляющие, которое проявляется сразу после изготовления ВВ. В связи с этим физико-химические и детонационные свойства самой аммиачной селитры широко исследуются ведущими специалистами взрывного дела.

При этом, учитывая, что плотная АС впервые была использована в России в составах не фасованных и фасованных эмульсионных ВВ еще 15 лет тому назад (Эмульсолит А-20 и Эмульсолит П- А-20) и до сих пор этот способ смешивания ранее указанной селитры с эмульсией применяется для создания подобных составов ВВ, в том числе и зарубежных (например «Нобелит»), авторы считают, что свойства этой селитры недостаточно изучены.

Необходимо отметить, что такая селитра уникальна, т.к. она выпускается только в России и более безопасна при перевозке и хранении.

Направления для проведения исследований и решения задач включали:

- разработку методики для оценки сравнительных характеристик ВВ;

- определение способов стабилизации простейших ВВ;

- разработку способов и устройств для снижения удельного расхода ВВ на разрезах.

Проведя анализ методов и стендов, применяемых в России, наиболее эффективным, по мнению авторов, признан метод определения эффективности действия ВВ по обжатию свинцовых цилиндров, предназначенный для оценки эффективности действия (относительной работоспособности) нового ВВ на соответствие требованиям технического задания заказчика и нормам технических условий по взрывным показателям 2.

Сущность метода заключалась в том, что под воздействием взрыва заряда ВВ заданного объема (1000 см³), размещенного в массивной песчаной оболочке, определенная часть энергии через воздушный промежуток и массивную наковальню воздействовала на свинцовый цилиндр, размер обжатия которого характеризовал суммарное (главным образом, фугасное) действие ВВ.

Метод позволял определить эффективность действия гранулированных, водосодержащих, литых и других видов ВВ при взрывании в оболочке из песка. Критерием пригодности взрывчатых показателей ВВ считалось среднее обжатие свинцового цилиндра, удовлетворяющее нормам технического задания или технических условий на испытуемое ВВ. За время действия метода (более 10 лет) были получены данные более чем о сотне взрывов различных типов ВВ.

Эффективность действия ВВ на стенде (рисунок 1) по размеру обжатия свинцового цилиндра определялась по формуле:

h = h₁- h₂, (1)

где h_1, h₂ - средняя высота цилиндра до обжатия и после обжатия соответственно, мм.

Рисунок 1. Стенд оценки эффективности действия ВВ

Результаты исследований промышленных, а также модельных составов, полученные с использованием метода определения эффективности действия ВВ на стенде в сочетании со стандартным методом испытаний на бризантность в стальных кольцах (проба Гесса), приведены в таблице 1.

Таблица 1. Показатели эффективности и бризантности ВВ

взрывчатый бризантность гранулированный водосодержащий

На основании результатов экспериментальных данных получена обобщающая зависимость эффективности действия ВВ от их бризантности, позволяющая более точно оценивать ВВ при сравнении их между собой (рисунок 2).

Рисунок 2. Зависимость эффективности от бризантности ВВ

Учитывая, что в настоящее время данный стенд не действует, в то время как определение бризантности в стальных кольцах (проба Гесса) применяется практически на всех предприятиях, связанных с ВВ, было получено соотношение, позволяющее без проведения экспериментов оценивать эффективность ВВ, зная их бризантность.

Эмпирическая зависимость имеет следующий вид:

h_э = 17,8 (ln (h _бр) - 1), (2)

где h _э - эффективность ВВ, мм;

h _бр - бризантность ВВ, мм.

На основании результатов экспериментальных данных была также получена обобщающая зависимость скорости детонации V_дет, км/мм•с, от эффективности действия ВВ - h_э:

V_дет.= 1,7+ (h_э - 22) • 0,185, (3)

где 0,185 - коэффициент, учитывающий степень и время обжатия свинцового цилиндра (определен на базе большого числа опытных испытаний).

Показатели скорости детонации, определенные по формуле (3) и экспериментальные 3, 4, 5, в том числе полученные непосредственно при ее измерении в процессе взрывания скважинных зарядов гранулированных и эмульсионных ВВ, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Показатели скорости детонации и эффективности ВВ

Из данных таблицы 2 видно, что скорости детонации ВВ, применяемых для заряжания скважин, полученные расчетным путем, экспериментально соответствуют друг другу, т. е. обеспечивается идентичность условий взрывания зарядов ВВ на стенде и в скважинах. При этом авторы считают, что, зная плотность ВВ и скорость его детонации, можно определить все остальные детонационные характеристики ВВ, в том числе и теплоту взрыва, по известным формулам, приведенным в научной литературе.

В процессе исследований было установлено, что совместное использование плотной и пористой гранулированной аммиачной селитры во взрывчатых смесях обеспечивает достижение нового положительного эффекта - повышения стабильности и чувствительности гранулированных ВВ при необходимой насыпной плотности и возможности использования более дешевой плотной гранулированной аммиачной селитры в водонаполненных ВВ за счет необходимой ее насыпной плотности (0,8-0,9 кг/м³) и чувствительности к инициирующему импульсу, а также свойства пористой селитры хорошо удерживать жидкие горючие компоненты. До настоящего времени плотная и пористая гранулированная аммиачная селитра применялась в составах ВВ по отдельности, где эффект достигался за счет использования положительных свойств той или другой селитры. В предлагаемых же составах плотная и пористая селитра используется совместно с получением нового положительного эффекта.

Результаты испытаний показывают, что совместное использование плотной и пористой гранулированной аммиачной селитры обеспечивает необходимые физико-химические свойства ВВ и сохраняет (или улучшает) основные характеристики взрыва: эффективность, бризантность, критический диаметр и т.д. С целью определения возможности использования предлагаемого способа изготовления ВВ были проведены соответствующие испытания образцов ВВ, изготовленных на окислителе, состоящем из пористой и плотной гранулированной аммиачной селитры, и штатных ВВ (таблица 3).

Таблица 3. Результаты испытаний штатных и опытных образцов

Из результатов испытаний видно, что взрывные смеси, приготовленные на основе совместного использования пористой и плотной аммиачной селитры, обладают более эффективными взрывчатыми свойствами по сравнению с ВВ, приготовленными только на плотной гранулированной аммиачной селитре.

Предложенные составы ВВ имеют следующие преимущества перед известными:

- обеспечивается стабильность физико-химических и взрывных свойств гранулированных ВВ, особенно типа АС+ДТ (игданит);

- повышается эффективность ВВ (гранулированных и водонаполненных) за счет снижения критического диаметра зарядов ВВ, обусловленного чувствительностью ВВ к инициирующему импульсу.

Результаты испытаний смесей селитры с растворами полиэтилена в нефтепродуктах приведены в таблице 4.

Таблица 4. Результаты испытаний смесей селитры с растворами полиэтилена в нефтепродуктах

Результаты испытаний показывают, что взрывные смеси, приготовленные на основе плотной аммиачной селитры совместно с растворами полиэтилена в нефтепродуктах, обладают стабильными свойствами, обусловливающими предотвращение стекания с гранул селитры жидких горючих различной вязкости. Установлено, что при добавлении 0,2% полиэтилена к аммиачной селитре ее критический диаметр детонации увеличивается, но при дальнейшем росте содержания полиэтилена начинает уменьшаться.

Известно, что критический диаметр аммиачной селитры в открытых зарядах в зависимости от размеров частиц, плотности и влажности колеблется в широких пределах. Детонация сухой тонкоизмельченной селитры при плотности 0,8 г/см³ распространяется устойчиво в открытых зарядах диаметром около 100 мм. Взрывчатое превращение чешуйчатой аммиачной селитры (размер частиц 1 мм) с влажностью 1% затухает в заряде диаметром 300 мм. Аммиачная селитра с содержанием влаги 3% не взрывается в зарядах еще больших диаметров. Неизмельченная кристаллическая селитра с влажностью до 1% требует для полной детонации 100…150 г прессованного тротила, а гранулированная или чешуйчатая не детонирует в бумажном мешке массой от 40 до 0,5 кг тротила.

При введении в селитру органических добавок чувствительность к детонации возрастает. По данным Б.Я.Светлова, селитра с содержанием 0,5 и 1,0% парафинистого мазута без измельчения и подсушки полностью детонирует от капсуля-детонатора №8 в заряде 100 мм 3.

Кроме того, известно, что образование ядовитых газов при взрывании в производственных условиях зависит также от степени измельчения ВВ. Например, чем тоньше измельчен аммонит, тем меньше ядовитых газов образуется при его взрыве 6.

Учитывая, что основным потребителем селитры является сельское хозяйство и лишь незначительная часть используется в горнодобывающей промышленности, авторы предположили, что свойства плотной аммиачной селитры в отношении ВВ исследованы не в полной мере. Дальнейшие предварительные исследования подтвердили это предположение.

В качестве горючей добавки для плотной селитры были применены жидкие нефтепродукты с добавкой на основе сложных эфиров спиртов. В результате этого были получены жидкие горючие, которые обладают по сравнению с исходными нефтепродуктами более низкой вязкостью и лучшей совместимостью с аммиачной селитрой. Эти горючие равномерно покрывали аммиачную селитру тонкой прочной пленкой, частично проникая при этом в глубь ее частиц. Затем гранулированная селитра разрушалась частично или полностью, превращаясь в порошкообразную или кристаллическую селитру. Так как удельная поверхность порошкообразной или кристаллической селитры совместно (с гранулированной селитрой или без нее) с жидкой добавкой значительно больше, чем у гранулированной селитры, такое их использование позволит обеспечить стабильность и полноту детонации заряда за счет тесного контакта селитры с горючим. Это позволит также повысить безопасность взрывных работ, так как чувствительность этих ВВ, а также выделение ядовитых газов при их взрывах значительно меньшие по сравнению с показателями промышленных гранулированных ВВ.

Исследовались горючие добавки, изготовленные на основе дизельного топлива или индустриальных, или отработанных масел. Было установлено, что получаемая селитра приобретала цвет применяемых нефтепродуктов или оставалась белого (естественного для селитры) цвета, что свидетельствовало о полном поглощении селитрой горючих добавок.

Результаты этих исследований не приводятся в данной статье, так как в настоящее время разрабатывается способ приготовления таких составов ВВ механизированным способом. Общие сведения об исследованиях приведены авторами только для того, чтобы привлечь внимание к плотной селитре, т.к. она отличается по безопасности и по своим свойствам от всех селитр, выпускаемых в мире.

Кроме того, промышленные ВВ, изготовленные на основе пористой селитры зарубежных производителей, широкого применения вследствие ее относительной дороговизны не получили, и опыт использования таких составов ограничен взрывами для получения базовых показателей при сравнении с продукцией, изготовленной на основе отечественной пористой селитры.

Основной способ повышения мощности промышленных ВВ -- введение дисперсного алюминия как в гранулированные ВВ, так и в эмульсионные составы. Практической оценке эффективности введения алюминия в составы ANFO посвящены исследования фирмы MREL, в том числе и технико-экономической эффективности применения алюминия в эмульсионных составах. В наиболее доступном и обобщенном виде оценка эффективности и требования к алюминиевой добавке при изготовлении ANFO повышенной мощности приведены в руководстве фирмы DYNO NOBEL:

- увеличение энергии взрыва ANFO может быть достигнуто добавлением алюминиевого порошка или гранул, при этом энергия возрастает пропорционально до 10% содержания;

- взрывание ANFO с алюминием экономически целесообразно в твердых нетрещиноватых породах;

- доля частиц размером менее 40 мкм должна быть минимальна, тонкодисперсный алюминий с размером частиц менее 40 мкм представляет значительную опасность;

- доля частиц размером более 300 мкм должна быть минимальна, так как частицы большего размера в шпурах и скважинах малого диаметра не успевают сгорать и эффективность применения энергетических добавок резко падает.

В мировой практике для изготовления ANFO повышенной мощности применяются порошки и гранулы алюминия европейских и американских фирм с пассивированной поверхностью, сертифицированные как вещества не пожароопасные, допущенные к морской перевозке.

В России механизм горения металлических порошков изучался многими исследователями, в том числе и в составах промышленных ВВ, при этом подтверждалось наличие прямой зависимости между максимальной работоспособностью состава и содержанием алюминия и указывалось на сложность выработки конкретной модели его взрывчатого превращения. Значительный объем исследований различных порошков в натурных условиях при взрывании моделей шпуров и при опытных взрывах в горном массиве выполнен в Кольском научном центре РАН. По этим результатам установлена зависимость скорости детонации, работоспособности гранулита с добавками порошкового алюминия от химического состава, его дисперсности и условий взрывания. Обобщающими выводами подтверждается прирост работоспособности от содержания алюминия в исследованном диапазоне (до 6%) и даны критерии по оптимизации дисперсного состава порошков с определением максимального размера частиц, в том числе для шпуров -- до 300 мкм, скважин диаметром 105 мм -- до 500 мкм.

Иные обстоятельства возникают при рассмотрении промышленных ВВ этой группы заводского изготовления (гранулиты АС4, АС8). Для изготовления таких ВВ применяется пиротехническая пудра с размером частиц до 5 мкм. Однако такая пудра крайне взрывоопасна.

Одним из главных направлений совершенствования взрывных работ является разработка новых конструкций зарядов ВВ, отвечающих современным требованиям повышения эффективности взрывных работ и экологической безопасности за счет снижения удельного расхода ВВ, например устройств для получения осевой полости в скважинном заряде ВВ. Опытные взрывы на разрезах подтвердили возможность использования зарядов ВВ с осевой полостью из алюминия. После взрыва отказов не обнаружено, качество взрывания удовлетворительное, не отличающееся от подрыва контрольных скважин 7.

Выводы

1 В области изготовления взрывчатых веществ важное значение в настоящий момент имеет разработка составов взрывчатых веществ, содержащих плотную аммиачную селитру и при этом соответствующих современным требованиям, предъявляемым к физико-химическим показателям и эффективности таких взрывчатых веществ.

2 Важное значение имеет также разработка взрывчатых веществ, содержащих в своем составе алюминий, отвечающих повышенным требованиям пожаро- и взрывоопасности.

3 В области ведения открытых взрывных работ одним из наиболее актуальных направлений является разработка новых конструкций зарядов взрывчатых веществ, использование которых способно улучшить экономические и экологические показатели ведения взрывных работ, а также повысить безопасность.

Библиографический список

взрывчатый бризантность гранулированный водосодержащий

1 Детонационная способность современных взрывчатых промышленных взрывчатых веществ / Б.Н. Кукиб, В.Б. Иоффе, Е.И. Жученко, А.Б. Фролов, М.Н. Оверченко, В.В. Лавров, К.К. Шведов // Физические проблемы разрушения горных пород: сб.тр. IV Международной научной конференции, 18-22 октября 2004 года. - М: ИПКОН РАН, 2005. -293 с.

2 Разработать технологию применения бестротиловых ВВ местного изготовления: отчет о НИР / ВостНИИ; рук. Белов В.И.; исполн. Горковенко В.П., Панчишин В.Я.; -№ ГР01870041250. - Кемерово,1988. - 60 с.

3 Светлов, Б.Я. Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ / Б.Я. Светлов, Н.Е. Яременко. -М.: Недра,1973. - 208 с.

4 Кукиб, Б.Н. Анализ экспериментальных зависимостей скорости детонации от диаметра заряда для аммиачной селитры / Б.Н. Кукиб, В.В. Лавров, Н.Г. Демченко // Взрывное дело. - 2011. -Вып. 106/63. -С. 127-138.

5 Гришин, С.В. Выбор оптимальных промежуточных детонаторов для инициирования скважинных зарядов ВВ/ С.В. Гришин, С.В. Кокин, А.В. Новиков // Взрывное дело. -2008. -Вып. 100/57. -С. 229-232.

6 Дубнов, Л.В. Промышленные взрывчатые вещества/ Л.В. Дубнов, Н.С. Бахаревич, А.И. Романов. -М.: Недра,1973. - 320 с.

7 Кушнеров, П.И. Использование при изготовлении ВВ отходов - как новый способ их эффективной и безопасной утилизации / П.И. Кушнеров, О.В. Панчишин // Взрывное дело. - 2011. -Вып. 106/63. -С.195-206.

Размещено на Allbest.ru