Агент с повышенными взрывными характеристиками

 

Изобретение относится к взрывным работам, в частности к разработке карьеров с помощью взрывов горной породы, такой как известняк, гранит. Улучшенная композиция для взрывных работ включает нефтяной воск, алюминиевый порошок, перхлорат натрия и нитрат аммония. Композиция может использоваться в комбинации с ANFO и вместо общепринятого твердого AP пропелланта и представляет его экономическую альтернативу. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Изобретение относится к разработке карьеров с помощью взрывов горной породы, такой как известняк, гранит, и других горных пород, традиционно использует ANFO в качестве взрывчатого вещества. ANFO является смесью примерно 94% нитрата аммония и 6% топливной нефти.

При разработке карьеров с помощью взрывов большинство шпуров бурятся по предварительно намеченной схеме или порядку. Например, шпуры бурятся по схеме 10 футов (3 м) на 10 футов (3 м) с диаметрами 3-9 дюймов (7.6-22.9 см) и глубиной 20-90 футов (6-27 м). Литой детонатор с капсюлем-детонатором устанавливается на дне шпура и в шпур добавляется ANFO до уровня, приблизительно, восемь футов от поверхности. Маленькие кусочки породы размером 1/4 дюйма - 1/2 дюйма (0.635-1.27 см), обычно называемые забойкой, укладываются сверху шпура для того, чтобы герметизировать ANFO. Шпуры детонируют последовательно так, чтобы создать свободную поверхность, к которой перемещаются разрушенные горные породы.

Энергия и коэффициент мощности изменяются в зависимости от геологического строения взрываемых пород. Например, для известняков требуется коэффициент мощности 2-5 фунтов на тонну (1000-2500 г/Мт).

ANFO применяется также в открытых горных разработках таких минералов, как уголь, таконит, медь и золото. В открытых горных разработках шпуры, обычно 10-15 дюймов (12-38 см) в диаметре, бурятся по схеме 28 х 28 футов (8.5 х 8.5м) с тем, чтобы образовать забой 40-60 футов (12-18 метров).

ANFO является популярным взрывчатым веществом при разработке карьеров и при открытой горной разработке благодаря своей низкой стоимости. Однако, ANFO имеет ряд ограничений. Когда шпуры заполняют сплошными колоннами ANFO, достигается лишь 60-70% эффективности, так как детонация возрастает в скважине. Соответственно, в таком непосредственно с ANFO заряде взрывчатого вещества должно быть заложено 30-40% потерь для того, чтобы избежать образования материала из крупных кусков породы, требующих вторичного дробления, что является нежелательным для землеройной и дробильной техники, используемой после взрыва для переработки взорванных горных пород. Кроме того, такие потери увеличивают стоимость производства взрыва горных пород.

Разработаны способы преодоления неэффективности твердого заряда ANFO и повышения его действия в шпуре. Один такой способ заключается в применении твердого АР пропелланта, который обычно использовался как ракетное топливо. Из-за различных переговоров по ядерному разоружению и требований, чтобы ракеты были сняты с вооружения, этот материал стал, в основном, лишним материалом. От него необходимо избавляться и от него традиционно избавляются, как от отходов, путем сжигания на открытом воздухе ракетных двигателей или сжигания на открытом воздухе пропелланта (ракетного топлива). Однако эти способы избавления не являются далее жизнеспособными с точки зрения окружающей среды.

Патент США 5261327 предлагает применение такого твердого АР пропелланта с ANFO в качестве взрывной композиции для разработки карьеров с помощью взрывов. Как раскрывается в патенте, твердый АР пропеллант является смесью около 70% перхлората аммония, 20% алюминия и 10% связующего вещества.

Однако, применение такого твердого пропелланта стало проблематичным, потому что, во-первых, количество остающегося твердого пропелланта значительно уменьшилось. Кроме того, он является относительно дорогим. Таким образом, даже если кто-нибудь и смог бы решить задачу относительно дополнительного пропелланта, его стоимость явилась бы препятствием при применении его при разработке карьеров с помощью взрывов.

Сущность изобретения Мы открыли новую и улучшенную композицию для взрывных работ и способ поверхностных взрывных горнопроходческих работ. В частности, настоящее изобретение создает композицию, которая дает такие же результаты или лучшие, чем существующие комбинации ANFO с AP пропеллантом, и которая является существенно менее дорогой.

Конкретно, настоящая композиция содержит от около 13 до 15 весовых процентов нефтяного воска, от около 15 до 25 весовых процентов алюминиевого порошка, от около 10 до 52 весовых процентов перхлората натрия и от около 10 до 60 весовых процентов нитрата аммония. Все веса и весовые проценты, как они использованы здесь, относятся к общему весу композиции.

Композиция для взрывных работ изобретения применяется в комбинации с ANFO, в основном, традиционным способом, например, как описано в патенте США 5261327, вместо твердого AP пропелланта, как описано в этом патенте.

Также раскрывается система для взрывных работ, содержащая ANFO в качестве первого компонента и композицию изобретения в качестве второго компонента. Относительные количества первого компонента ко второму составляют от около 70:30 до 30:70 и, предпочтительно, от около 40±2:60±2 до 60±2:40±2.

Краткое описание чертежей Фигуры 1 и 5 показывают контуры проведения опытов, а фигуры 2, 4 и 6 являются графическими изображениями результатов выполненных опытов.

Подробное описание изобретения Пропеллант настоящего изобретения является предпочтительно композицией типа горячего расплава, содержащей нефтяной воск, тонко измельченный алюминиевый порошок, перхлорат натрия и нитрат аммония. Воск действует в качестве связующего вещества, которое консолидирует пропеллант. Алюминиевый порошок увеличивает термохимическое выделение тепла во время взрыва, перхлорат натрия и нитрат аммония действуют как окислители.

Композиция может быть приготовлена вначале плавлением нефтяного воска, в основном, при температуре от около 140 до 150^oF (60-65^oC). Алюминиевый порошок смешивается с расплавленным воском при перемешивании. Затем добавляется перхлорат натрия при перемешивании. Наконец, в смесь добавляется нитрат аммония при перемешивании. Все эти операции могут проводиться при атмосферном давлении.

После перемешивания пропеллант может быть охлажден на поточной ленте и подвергнут гранулированию и упаковке, или залит в соответствующие формы, например пластиковые мешки и им подобные, и ему позволяют охладиться и затвердеть.

При использовании, например, взрывчатой композиции в карьерной или открытой горной разработке большое количество шпуров, имеющих заранее установленные диаметры и глубины, закладываются по намеченной схеме и порядку. Главный заряд, такой как литой детонатор, опускается на дно шпура и выводы проводов от главного заряда протягиваются вверх шпура и закрепляются, чтобы предохранить провода от падения в скважину.

Затем заливают в скважину ANFO с тем, чтобы покрыть главный заряд на желаемую мощность, например, 12 дюймов (30.48 см). Пропеллант изобретения, упакованный в виде стержня или в раздробленном виде, помещают в шпур и добавляют дополнительный слой ANFO сверху пропелланта. Затем добавляют наслоение дополнительного ANFO и повторяют наслоение ANFO и пропелланта изобретения до тех пор, пока шпур не заполнится до приблизительно 10 футов (3.5 м) от поверхности. Затем в шпур может быть добавлен слой ANFO.

Обычно шпуры монтируются проводами по сериям и после обычных и соответствующих предосторожностей по безопасности производится взрыв путем приведения в действие главного заряда или зарядов. Особые детали такого применения, как отмечается, являются общепринятыми и описываются в патенте США 5261327.

Для оценки композиции изобретения были проведены следующие серии опытов.

Были приготовлены четыре разные композиции, содержащие различные количества ингредиентов. Композиция была приготовлена сначала плавлением нефтяного воска при 140- 150^oF (60-65^oC). Затем был добавлен алюминиевый порошок и смесь перемешивалась со скоростью 20 оборотов в минуту в течение 5 минут при атмосферном давлении. Затем добавлялось определенное количество перхлората натрия и смесь снова перемешивалась со скоростью 20 оборотов в минуту в течение 5 минут при атмосферном давлении. Добавлялась одна половина определенного количества нитрата аммония, после чего смесь снова перемешивалась со скоростью 20 оборотов в минуту в течение 10 минут при атмосферном давлении. С этого времени оставшаяся половина определенного количества нитрата аммония перемешивалась в смеси со скоростью 20 оборотов в минуту в течение 10 минут. Температура смеси поддерживалась равной 140-150^oF (60-65^oC). Пропеллант, который еще находился в горячем состоянии, заливали в полиэтиленовые мешки и позволяли охлаждаться и затвердевать.

Воск, который использовался, был нефтяным воском, обозначенным 142N из Chevron Corporation. Он показывал точку застывания 129^oF (54^oC) по ASTI-D938, величина состояния проникновения 71 при 77^oF (56^oC) по ASTI-D937, содержание нефти 469_о+399_о по ASTI-D3235 и ASTI-D721 соответственно и цвет < 4.5 по ASTI-D1500. Конечный вес парафина воска, определенный с помощью газовой хроматографии, составлял 349_o, и средний молекулярный вес равнялся 461. Он является неочищенным воском, имеющим цвет от светло-коричневого до темного. Он содержит серусодержащие органические соединения в виде примесей. Удельный вес составляет около 0.92 г/см³ при 77^oF (56^oC). Воск является неэластомерным относительно низкомолекулярным соединением по сравнению, например, с отвержденным органическим полимером. Кроме того, в отличие от обычного отвержденного полимера, который проявляет хорошо определяемые вязкоупругие свойства, воск просто размягчается и плавится до жидкости. Кроме того, отвержденный полимер, обычно применяемый для твердого AP пропелланта в виде коммерчески доступного, имеет везде стоимость, в 10-50 раз большую, чем воск.

Алюминиевый порошок, который применялся, был Alan-Togo America АТА 101. Его главным назначением является поднять теплоту горения, повысить текучесть и увеличить плотность композиции пропелланта.

Перхлорат натрия, который применялся, был NaClO₄ из Western Electro Chemical Company (WECCO). Он имеет удельный вес 2.54 и размер зерен, приблизительно, 300 микрон. Перхлорат натрия является наиболее экономичным перхлоратом, коммерчески доступным в настоящее время, стоимость которого составляет одну треть от стоимости перхлората аммония. Перхлорат натрия обладает также большей плотностью, чем перхлорат аммония, т.е. 2.54 г/см³ по сравнению с 1.95 г/см³. Ввиду того, что перхлорат натрия является гигроскопичным, эта гигроскопичность нейтрализуется до определенных пределов смешиванием с воском.

Нитрат аммония, который используется (NaH₄NO₃), имеет удельный вес 1.725 г/см³, приблизительный рассеиваемый размер зерен 1000-2000 микрон. Он легко доступен, потому что используется как сельскохозяйственное удобрение. Ввиду того, что чистый материал является гигроскопичным, процесс покрытия рассеиванием, в качестве удобрения, вызывает его свободное течение. Маркировка, использованная в настоящем опыте, являлась маркировкой Е-2, разработанной Northen California Fertilizer Company.

Были проведены пять различных испытаний взрывов и сделаны оценки кратеров взрывов. Композиции были следующими: Композиция 1 ANFO; Композиция 2 равна смеси 40/60 композиции номер 722/ANFO; Композиция 3 смесь 40/60 композиции номер 724/ANFO; Композиция 4 смесь 40/60 композиции номер 726/ANFO; Композиция 5 смесь 40/60 композиции номер 727/ANFO.

Композиции для взрывных работ, использованные в опытах, были следующими (см. таблицу).

При применении взрывчатых веществ в коммерческих целях для потребителя главное значение имеют обычно три фактора, а именно: степень дробления массы горных пород, смещение массы горных пород и избыточная вибрация земли. Была проведена оценка серии опытов с использованием композиции изобретения в комбинации с ANFO. Как правило, прямым показателем мощности взрыва является его способность к смещению массы горных пород в основном с низкими уровнями вибрации, которые желательны при всех типах взрывания.

Была проведена серия отдельных кратерных взрывов для того, чтобы оценить композицию изобретения, как описано выше. Были проведены единичные кратерные опыты для сравнения силы различных опытных взрывов. В каждом опыте использовался контрольный шпур с ANFO для того, чтобы установить базовую линию для сравнения. Для каждого опыта величина заряда, вес и глубина его помещения были постоянными.

Фигура 1 показывает схему проведения кратерного опыта.

Кратерные смещения, вызванные каждой композицией, которые сравнивались с ANFO, показаны на фигуре 2.

Сравнение кратерных вибраций показано на фигуре 3.

Фигура 4 демонстрирует общее сравнение кратерных смещений для двух испытаний каждой композиции изобретения.

Как можно видеть из данных, приведенных на этих фигурах, композиции изобретения являются эквивалентом или по крайней мере являются фактически такими же, как чистый ANFO.

Смещение определялось с использованием высокоскоростных кинокамер, соответственно, установленных так, чтобы предусмотреть движение поверхности, вспучивание земли и данные выбрасывания забоечного материала. Камеры имеют съемочную скорость до 400 кадров в секунду и делают снимок каждые 2.5 мс. Точные расчеты движения поверхности и скорости вспучивания земли были получены путем расположения ориентиров на поверхности, на верху уступа и дне выемки на особых площадках. Съемка фильма и подсоединение к компьютеру позволяет принимать во внимание точные расчеты и исходные данные.

Затем проводились оценки поверхностного смещения с тем, чтобы оценить композицию изобретения. Как правило, в большинстве применений взрывчатых веществ для разрушения горных пород целесообразно производить взрыв по отношению к свободной поверхности. Свободная поверхность является в идеальном случае параллельной оси колонны взрывчатого вещества для оптимального распределения энергии. При таких условиях взрывчатое вещество функционирует иначе, чем при кратерном взрывании. Когда колонна взрывчатого вещества детонирует, энергия непосредственно направлена в сторону открытой поверхности. Поверхность испытывает напряжение на уровне средней части колонны и разрушается. Разрушение возникает от воздействия сил высокого сжимающего напряжения в пределах массы горной породы и, так как упругие волны отражаются от свободной поверхности горной породы, горная порода остается на месте в процессе воздействия напряжения, а если интенсивность достаточно высокая, горная порода теряет прочность. Как только горная порода разрушилась, она выталкивается наружу высоким давлением газов от детонации. Скорость смещения и масштаб непосредственно зависят от характеристик газообразования взрывчатого вещества. Были проведены испытания открытой поверхности единичным шпуром для оценки опытной взрывной композиции при производстве взрыва в сторону открытой поверхности.

Фигура 6 показывает сравнение смещений, вызванных различными композициями изобретения, с эталонным смещением, вызванным ANFO.

Формула изобретения

1. Композиция для взрывных работ при разработке карьеров, содержащая от около 13 до 15 вес.% нефтяного воска, от около 15 до 25 вес.% алюминиевого порошка, от около 10 до 52 вес.% перхлората натрия и от около 10 до 60 вес.% нитрата аммония, причем веса основываются на общем весе композиции.

2. Композиция по п.1, в которой количество нефтяного воска составляет 15 вес. %, количество алюминиевого порошка составляет 25 вес.%, количество перхлората натрия составляет 10 вес.% и количество нитрата аммония составляет 50 вес.%.

3. Композиция по п.1, в которой количество нефтяного воска составляет 15 вес. %, количество алюминиевого порошка составляет 15 вес.%, количество перхлората натрия составляет 10 вес.% и количество нитрата аммония составляет 60 вес.%.

4. Композиция по п.1, в которой количество нефтяного воска составляет 13 вес. %, количество алюминиевого порошка составляет 25 вес.%, количество перхлората натрия составляет 10 вес.% и количество нитрата аммония составляет 52 вес.%.

5. Композиция по п.1, в которой количество нефтяного воска составляет 13 вес. %, количество алюминиевого порошка составляет 25 вес.%, количество перхлората натрия составляет 52 вес.% и количество нитрата аммония составляет 10 вес.%.

6. Система для взрывных работ, включающая два компонента, в которой первым компонентом является смесь примерно 94% нитрата аммония и 6% топливной нефти, а вторым компонентом является композиция, включающая от около 13 до 15 вес. % нефтяного воска, от около 15 до 25 вес.% алюминиевого порошка, от около 10 до 52 вес.% перхлората натрия и от около 10 до 60 вес.% нитрата аммония, где весовое отношение первого компонента ко второму компоненту составляет от около 70/30 до 30/70.

7. Система по п. 6, в которой весовое отношение первого компонента ко второму составляет от около 40 ± 2 : 60 ± 2 до 60 ± 2 : 40 ± 2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7