Малоплотный взрывчатый состав

 

Использование: открытые горные работы. Сущность изобретения: состав содержит (мас.%) 2,00-2,20 дизельного топлива; 4,60-5,00 вспененного полистирола в виде пластинок, 0,15-0,20 додецилсульфата натрия, 0,25-0,35 амилового спирта, 0,5-0,7 воды, нитрат аммония - остальное. Пластины вспененного полистирола имеют размер 2х2х1 - 4х2х2 мм. К смеси гранулированного нитрата аммония и вспененного полистирола в виде пластин добавляют эмульсию, полученную при смешивании дизельного топлива, воды, додецилсульфата натрия и амилового спирта. Состав стабилен более 1 месяца. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к безопасным промышленным взрывчатым веществам, изготовляемым на местах применения, предназначенным преимущественно для взрывных работ на открытых горных работах.

Известно простейшее взрывчатое вещество типа игданит, представляющее собой согласно ТУ-ГП-02 механическую смесь окислителя гранулированной или чешуйчатой аммиачной селитры (АС) и горючего дизельного топлива (ДТ) [1] Смешение АС и ДТ производится механизированным способом, дозированной подачей ДТ на слой АС, перемещаемой шнеком к точке выпуска, распылением ДТ при помощи форсунок и аналогичных устройств в свободно движущийся поток АС и дозированной загрузкой компонентов с перемешиванием при помощи сжатого воздуха или лопастных (винтовых) механизмов [2] Игданит обладает удовлетворительными взрывными свойствами, но недостаточно физически стабилен в результате стекания жидкой фазы (ДТ) в нижние слои скважинного заряда; неводоустойчив, а в случае взрывания крепких горных пород детонационные параметры этих ВВ (детонационное давление) недостаточно велики. Наиболее близким к изобретению по составу является взрывчатое вещество мазеобразной консистенции, защищенное патентом Великобритании N 1306546, С 06 В 1/04 [3] Состав содержит нитрат аммония, дизельное топливо, ПАВ и сенсибилизирован газовыми пузырьками, в качестве которых обычно служат полые шарики, например, вспененного полистирола (ППС).

Однако указанные композиции, хотя частично увеличивают физическую стабильность взрывчатой смеси, все же не улучшают детонационные параметры и, в частности, детонационное давление. Это в немалой степени объясняется структурой смеси и в первую очередь наличием ППС шарообразной формы, не обеспечивающего при детонации смеси гладкости детонационного фронта. Как следствие этого, взрывчатые смеси указанной композиции имеют пониженное детонационное давление.

Целью данного изобретения является повышение плотности энергии в детонационной волне и получение физически стабильной структуры смеси.

Поставленная цель достигается тем, что малоплотный взрывчатый состав, содержащий нитрат аммония, дизельное топливо, ПАВ, вспененный полистирол и воду, содержит в качестве ПАВ додецилсульфат натрия, вспененный полистирол в виде пластинок и дополнительно соПАВ амиловый спирт, при следующем соотношении компонентов, мас.

Нитрат аммония 90-93 Дизельное топливо 2,0-2,2 Вспененный полистирол в виде пластинок 4,8-5,0 Додецилсульфат натрия 0,15-0,2 Амиловый спирт 0,25-0,35 Вода 0,5-0,7 Причем, пластины вспененного полистирола имеют размер 2 х 2 х х 1 4 х 2 х 2 мм.

Как известно, мерой плотности энергии в детонационной волне является функция теплоты взрывчатого превращения при постоянном объеме. Результативность действия ВВ можно оценить через давление Р (кбар), развиваемое в головной части детонационной волны, распространяющейся по заряду, по формуле где ρ плотность ВВ, кг/м³; D скорость детонации, м/с; U - массовая скорость продуктов детонации (ПД), м/с; d_кр критический диаметр детонации, м; t_р время химической реакции, с.

При этом в случае распространения по заряду ВВ строго плоской ударной волны, предшествующей волне детонационной, в последней более полно происходят химические реакции и, как следствие этого, повышается плотность энергии.

Таким образом, поставленная в предлагаемом техническом решении цель может быть достигнута только в случае распространения по заряду плоской детонационной волны.

Как следует из основных положений гидродинамической теории детонации ВВ, фронт плоской детонационной волны представляет собой ударную волну, в которой частицы ВВ сжимаются ударно, как инертное вещество. При этом потери энергии, затраченной на ударное сжатие ВВ, восполняются за счет тепла химической реакции, идущей за фронтом ударной волны, а выравнивание давления происходит за время
t_д= δ/D_уд,
где δ размер частиц ППС, м; D_уд скорость ударной волны в ней, м/с.

Считается, что если tg значительно (в несколько раз) меньше времени химической реакции, ((τ_p)) то выравнивание будет происходить. Время химической реакции τ_p можно оценить экспериментально или в первом приближении по известной формуле:
τ_p= 0,72·d₃/D·[1-(D/D_ид.)²]^1/2,
где d_з диаметр заряда, м; D_ид идеальная скорость детонации ВВ, м/с.

Так как выравнивание по давлению функционально связано с выравниванием температуры в смеси, а выравнивание последней в зоне реакции связано с прогревом вещества смеси, в первую очередь с прогревом горючего компонента ППС и зависит от их температуропроводности α,, то размеры частиц ППС δ,, которые успевают прогреться в волне, можно оценить по формуле:

Отсюда следует, что гладкость фронта детонационной волны и, следовательно, ударного фронта будет зависеть от времени реакции компонентов взрывчатой смеси и физических свойств добавок

где λ коэффициент теплопроводности, Вт/м х К; С_р удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/кг х К; r плотность частиц ППС, кг/м³.

В используемых во взрывчатой смеси вспенивающих полистиролов марок ПCВ и ПСВ-С l 0,028 0,041; C_p 1,46 1,63; r= 20 42. Воспользуемся приведенными соотношениями и перейдем непосредственно к расчету толщины частиц ППС по ее способности прогреваться за требуемый период времени согласно расчетной оценки α_ппс= 7·10^-8 м²/c; δ≈ 2 мм, tg 1 мкс.

Отсюда видно, что tg меньше τ_р на порядок. В этом случае, следуя приведенным физическим предпосылкам, в детонационной волне будет наблюдаться выравнивание, если толщина частиц ППС не превышает 2 мм. Этому линейному размеру реально могут соответствовать геометрические фигуры в виде шара, призмы и тонкого круга. Так как в ударной волне сжатие вещества происходит объемно, а диффузия в МПВВ в виду наличия пористых добавок ППС затруднена, то в силу этих причин объем такой добавки должен быть минимальным. Этим требованиям отвечает призма, объем которой меньше объемов шара и тонкого круга соответственно в 2,09 и 1,57 раза.

Исходя из минимально принятого размера добавки ППС δ 2 мм скорость ударной волны в ней можно представить в виде соотношения

где А 1850±40 м/с; к 0,20±0,02; ρ, ρ_o соответственно, плотность полистирола и пенополистирола, кг/м³.

Подставим численные значения в приведенную выше формулу

Тогда tg 2 x 2/0,98 4,2 мкс.

Следовательно время, при котором происходит разрушение частиц указанного размера, в 2 раза больше времени химической реакции.

Таким образом, подготовка частиц ВВ дроблением в ударной волне, характерная для малосжимаемых частиц ВВ, окислителя и горючего в данном случае, в сильнопористых добавках ППС не проявляется. Специфические свойства, присущие частицам пенополистирола пластинчатой формы, обеспечивают требуемое повышение волновой (D) и массовой (U) скорости в зарядах ВВ малой плотности в сравнении с зарядами, в состав которых входят добавки ППС в виде шариков. Эта оценка подтверждена также экспериментальным методом, результаты которого представлены в табл. 1. Технологические особенности получения этих зарядов приведены в примере.

Из представленных в табл.1 данных видно, что независимо от условий взрывания (различная прочность оболочек заряда) в каждом испытанном взрывчатом составе наблюдается изменение скорости детонации в зависимости от формы частиц полистирола. При этом максимальный относительный рост скорости детонации, зафиксированный в 3-й серии опытов, составляет 18,2
Таким образом, рост скорости детонации смеси определяется не только энергией, выделяющейся в основной реакции, но также глубиной единичных взаимодействий компонентов смеси на уровне макроструктуры вещества слагающего заряд. Так как , то для оценки глубины перехода химической энергии ρQ в волновую воспользуемся отношением .

Как следует из данных последней колонки табл.1, значения , как и соответствующие значения D, возрастают как по мере роста плотности составов, так и с изменением формы частиц ППС. При этом влияние формы проявляется в большей степени, так как отношение в 3-й серии достигает 19,2% Таким образом, можно сделать вывод, что эффективность происходящих в детонационной волне химических реакций в случае использования добавок ППС в виде пластинок указанного размера может быть увеличена примерно на 19,0% При этом в таком же порядке увеличивается скорость детонации взрывчатого состава, как формы реализации эффективности этих реакций.

Получить термодинамически устойчивые микроэмульсии можно в композиции ПАВ и соПАВ-спиртом. Последним может быть спирт со средней длиной углеводородной цепи. Необходимость присутствия соПАВ-спирта вызвано очень малыми расстояниями между полярными головками ПАВ на поверхности капелек микроэмульсии и соответственно способностью соПАВ в сложной сопряженной системе структуировать микроэмульсии при сниженных концентрациях ПАВ. В этом случае получаются микроэмульсии, имеющие сверхнизкое межфазное натяжение на границе раздела фаз, что способствует стабилизации водоуглеродных смесей. При этом совместный эффект в образуемой динамичной системе ПАВ и соПАВ зависит от числа метиленовых звеньев в суммарной длине цепи додецилсульфата и амилового спирта. Кроме того, устойчивость микроэмульсии обеспечивает не только гидрофобное взаимодействие метиленовых групп, но и образование водородной связи между группой ОН амилового спирта и додецилсульфатом натрия. Для высших спиртов такое взаимодействие отсутствует (в ряду спиртов, начиная с децилового). Причиной взаимодействия групп SO₄Na с амиловым спиртом посредством водородной связи является изменение состояния воды вокруг этих гидрофильных групп в капельке эмульсии. При этом приведенная адсорбционная динамичная модель эмульсии, учитывающая кооперативное действие ПАВ и соПАВ, является наилучшей, что подтверждается существованием непрерывного равновесного взаимообмена между молекулами раствора и эмульсионных капелек, а также наличием молекул амилового спирта в цепях между углеводородными группами додецилсульфата натрия.

Количественное содержание ПАВ и соПАВ было подобрано экспериментально, данные приведены в табл.2.

Особенностью приведенных в табл.2 составов с указанным содержанием компонентов в серии 4 является их высокая чувствительность к получению устойчивости эмульсии. Так в случае применения додецилсульфата натрия и амилового спирта ниже и выше указанного содержания, эмульсии становятся крайне неустойчивыми и теряют свои технологические свойства.

Пример. Приготовление малоплотного взрывчатого состава периодической структуры производится из раздельно хранящихся компонентов. Нитрат аммония в виде гранулированных частиц засыпают в один из 2-х бункеров зарядно-доставочной машины, например СУЗН-5А. В другой россыпью помещается вспененный полистирол в форме пластинок размером 2 х 2 х 1 до 4 х 2 х 2 мм. Эмульсии получаются путем последовательного добавления дизельного топлива в воду в соотношении ДТ/В, об. 80/20 при постоянном перемешивании и одновременном приливании в смесь ПАВ додецилсульфата натрия и соПАВ - амилового спирта и последующего встряхивания смеси в течение 2-х мин при температуре 18-25^oС.

Техническое и технологическое обеспечение процесса получения полистирольных плоских пористых пластинок базируется на известных технологиях и может производиться в два этапа. Беспрессовым способом получить изделие в виде куба, плитки, для чего предварительно вспененными гранулами полистирола марки ПСБ и ПСБ-С заполняют форму и затем проводят окончательное вспенивание за счет обогрева водой или паром.

Продолжительность обогрева в зависимости от толщины изделия составит 2-60 мин. Затем форма охлаждается, после чего раскрывается и вынимается изделие. К преимуществам этого способа следует отнести низкую кажущуюся плотность, которая достигает порядка 15-20 кг/м³. Затем по типу разделки древесины многолезвийными ножами, но, естественно, установленными на требуемые размеры с меньшими усилиями изделие может разделываться на пластинки. Полученные таким способом пористые пластинки обладают необходимыми свойствами и могут быть использованы в разработанных составах.

Устойчивыми считаются эмульсии, не разделяющиеся на фазы в течение 7 сут с момента приготовления. Полученную эмульсию заливают в емкость в машину, предназначенную для жидких компонентов смесевых ВВ. Из бункеров твердые компоненты нитрат аммония и вспененный полистирол с помощью шнекового питателя подаются в разгрузочный рукав. С помощью системы обогащения, имеющейся в зарядно-доставочной машине, на выходе из шнеков в движущийся поток смеси твердых компонентов набрызгом наносится изотропная однофазная микроэмульсия. Равномерное нанесение эмульсионного покрытия производится с помощью 4-х форсунок при равных скоростях движения потоков твердых составляющих взрывчатой смеси и микроэмульсии. В процессе последующего гравитационного движения полученной смеси в разгрузочном рукаве происходит полное смешивание твердых компонентов с микроэмульсией. В результате получается устойчивое покрытие, исключающее стекание горючего по заряду.

Эмульсии заявленного состава можно получить с помощью, например, установки УПВ-2, разработанной институтом геофизики АН Украины и используемой на предприятиях Кривбассвзрывпрома для загущения дизтоплива порошкообразными или жидкими загустителями. Смешение компонентов в указанной установке производится мешалкой и насосом, а сам процесс смешения производится в течение 10-15 мин. За один цикл работы с помощью УПВ-2 получается 1,7 м³ готовой эмульсии [2]
В качестве примера выполним подбор взрывчатой смеси оптимального состава для отбойки кимберлитов II, III, IV категории взрываемости, характерных для алмазодобывающих карьеров ПНО "Якуталмаз". При этом оценка параметров производилась по следующим формулам
P = πd²ρE/4; E_скв.= P·L₃;

где d 250 мм диаметр заряда; Н 15 м высота уступа.

Как следует из представленных в табл.3 расчетных данных, предложенные составы с оптимальным содержанием компонентов обеспечивают приемлемые технологические параметры взрывной отбойки (L₃) во всем диапазоне категорий взрываемости кимберлитов. При этом удельные расходы массы BВ (q) и энергии (E) не превышают норм расхода штатных (заводского изготовления) взрывчатых веществ.

Скорость детонации в зависимости от формы частиц пенополистирола в смеси определялась при взрыве зарядов в стальных и стеклянных оболочках. При этом при взрыве в оболочках из стали использовались два типа смеси независимого состава: аммонит 6ЖВ+ +пенополистирол и заявленное взрывчатое вещество.

В качестве стальных оболочек применялись отрезки из стальных водогазопроводных труб (ГОСТ 3282-75) диаметром 21,4 мм и соответственно диаметром заряда 15,8 мм. Вдоль образующей оболочек были просверлены смотровые отверстия диаметром 2,0 мм и интервалом перфорации 20 мм, позволяющие непрерывно измерять скорость движения светящегося фронта детонационной волны с помощью фоторегистратора СФР-2.

Стеклянной оболочкой служили отрезки стеклянных труб с внутренним диаметром 37 мм и толщиной стенок 4 мм. Во всех опытах длина заряда была одинаковой и составляла 180 мм.

Инициирование зарядов производилось навесной ТЭНа и электродетонатором. Скорость стационарного режима детонации и полнота взрывчатого превращения для обоих типов изучавшихся смесей во всех случаях не зависела от параметров инициирующего импульса. Стационарность процесса распространения детонации достигалась достаточной длиной заряда (L₃/d₃ 11,5), соответствующей длиной базы измерения 4-5 светящихся точек и выбором места регистрации процесса детонации (нижняя часть заряда). Результаты эксперимента приведены в табл.1.

Как видно из приведенных данных, малоплотный взрывчатый состав периодической структуры в целом обладает повышенной энергией в детонационной волне и имеет физически стабильную структуру. Заявленный состав, полученный на месте применения из относительно недорогостоящих компонентов, способен производить эффективное разрушение пород во всем диапазоне прочностных свойств, подлежащих разрушению более мощными и дорогостоящими ВВ заводского изготовления. ТТТ1

Формула изобретения

1. Малоплотный взрывчатый состав, включающий нитрат аммония, дизельное топливо, поверхностно-активное вещество, вспененный полистирол и воду, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества он содержит додецилсульфат натрия, вспененный полистирол в виде пластинок и дополнительно амиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.

Дизельное топливо 2,00-2,20
Вспененный полистирол в виде пластинок 4,60-5,00
Додецилсульфат натрия 0,15-0,20
Амиловый спирт 0,25-0,35
Вода 0,50-0,70
Нитрат аммония Остальное
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что он содержит вспененный полистирол в виде пластин размером 2х2х1-4х2х2 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3