Предохранительный эмульсионный взрывчатый состав для шпуровых зарядов
Изобретение относится к области взрывчатых составов, применяемых для формирования шпуровых зарядов с целью ведения взрывных работ как на земной поверхности, так и в условиях поземных выработок угольных и сланцевых шахт, опасных по газу или пыли. Предохранительный эмульсионный взрывчатый состав в качестве окислительной фазы содержит воду, аммиачную и натриевую селитру, карбамид или хлорид калия, взятые в эвтектических или близких к эвтектическим соотношениях, в качестве углеводородной фазы - эмульгатор для промышленных взрывчатых веществ индивидуально или в смеси с канифолью талловой или живичной сосновой, с жидким или твердым хлорпарафином и возможными добавками масла индустриального или мелкокристаллического парафина, порошкообразный хлорид натрия или калия в качестве пламегасителя, а в качестве сенсибилизатора - стеклянные или полимерные микросферы «Expancel» DR(T) размером капсул 60-80 мкм, содержащие горючие газовые включения из изопропана или изобутана в оболочках из сополимеров или газогенерирующие добавки из водных раствором нитрита натрия и обеспечивающие контролируемую плотность конечного продукта в диапазоне 1,05-1,20 г/см3. Изобретение обеспечивает хорошие эксплуатационные и взрывчатые характеристики, в том числе предохранительностью на уровне III-IV классов, физической и химической стабильностью в течение длительного срока хранения (до 12 мес.). 1 з.п. ф-лы, 5 пр.
Изобретение относится к области эмульсионных взрывчатых составов, предназначенных для формирования шпуровых зарядов с целью ведения взрывных работ в условиях подземных выработок угольных и сланцевых шахт, опасных по газу или пыли.
Известен ряд эмульсионных взрывчатых составов, используемых для ведения взрывных работ скважинными зарядами на земной поверхности (например, патент на изобретение RU 2123488 С1, С06В 31/28, опубл. 20.12.1998).
Общим рецептурным признаком таких составов является наличие дисперсии водного раствора окислителей в смеси с углеводородным горючим и эмульгатором в присутствии сенсибилизаторов эмульсионных взрывчатых составов - механических (стеклянные, полистирольные, фенолформальдегидные микросферы, микросферы алюмосиликатные из отходов ТЭЦ, вспененный перлитовый песок) или химических (водный раствор нитрита натрия и водный раствор нитрита натрия с добавкой формалина) с энергетическими добавками из индивидуальных бризантных взрывчатых веществ (нитрат метиламина, динитрат этилендиамина, тротила, ТЭНа, гексогена, пироксилиновых и баллиститных порохов, а также порошковых добавок металлов и сплавов и др.).
Применение в эмульсионных взрывчатых составах энергетических добавок из индивидуальных взрывчатых веществ является существенным недостатком, повышающим опасность задействованного персонала при изготовлении, транспортировании, хранении и применении эмульсионных взрывчатых составов на взрывных работах.
Наиболее близким к заявляемому эмульсионному взрывчатому составу по виду применяемых компонентов и условиям применения является состав (патент RU 2375336 С2, С06В 31/28, С06В 29/02, опубл. 10.12.2009), в котором массовая доля компонентов имеет соотношение, мас.%:
| сенсибилизатор-микросферы | 8,0÷15,0 |
| соль-пламегаситель порошкообразный калий хлористый | 4,0÷18,0 |
| селитра аммиачная | 36,0÷47,3 |
| селитра натриевая | 9,0÷13,0 |
| калий хлористый | 7,0÷9,0 |
| вода | 8,0÷12,0 |
| масло индустриальное | 2,7÷3,6 |
| стабилизатор эмульсии - | |
| петролатум или полиизобутилен | 1,0÷1,3 |
| эмульгатор | 1,3÷1,8 |
Из анализа примеров изготовления указанного предохранительного взрывчатого состава (ПЭВС), перечня используемых компонентов и их массовых долей можно сделать вывод, что только несколько композиций способны сохранять свои детонационные свойства в течение достаточно длительного срока хранения в условиях базисных и расходных складов взрывчатых материалов. Остальные неминуемо подвержены перекристаллизации солей из водного раствора окислительной фазы эмульсионной матрицы с образованием конгломератов произвольной формы и размеров вследствие ее разрушения в процессе смешения с твердыми абразивными порошкообразными компонентами при указанных массовых долях. К числу абразивных компонентов относятся стеклянные микросферы и порошкообразный хлорид калия в любом диапазоне размеров частиц.
Результирующая плотность взрывчатого состава, находящаяся в диапазоне значений 0,78÷1,0 г/см3, не позволит использовать данное патронированное взрывчатое вещество для заряжания обводненных шпуров без применения утяжеляющих гильз патронов (например, из полиэтилена высокого давления). В противном случае (при наличии плавучести патронов) будет нарушено условие непрерывности конструкции шпурового заряда.
Присутствие в составе воды при массовой доле 13,0%, хлорида калия 5,6% или же 10,0% воды и 4,9% хлорида калия, используемых в качестве пламегасителей в анализируемом составе и не участвующих в реакции взрывчатого превращения, ставит под сомнение эффективность взрывчатых показателей, в том числе одного из самых значимых для взрывчатых веществ, предназначенных для формирования шпуровых зарядов, - передачу детонации на расстояние между двумя патронами.
Расчет кислородного баланса (КБ) композиций, характеризуется значениями минус 5,13 и минус 4,18, соответственно, что косвенно подтверждает высказанное предположение.
Очевидно, что кислородный баланс анализируемых композиций ПЭВС смещен в отрицательную сторону преднамеренно, с целью повышения их уровня предохранительности. Однако при этом необходимо помнить, что при значениях кислородного баланса, отличных от нуля, не только снижается теплота взрыва, но и увеличивается образование токсичных газообразных продуктов взрывчатого разложения. Отрицательный баланс анализируемых взрывчатых композиций ведет к увеличенному выделению вредных для здоровья человека оксидов углерода (СО, СО2), что в замкнутых объемах подземных выработок повышает риск отравления персонала газообразными продуктами взрыва. Кроме того, смещение кислородного баланса в любую сторону автоматически влечет за собой увеличение критического диаметра детонации взрывчатых веществ и, как следствие, снижение их чувствительности к взрывному импульсу первичных средств инициирования (электродетонаторов, капсюлей-детонаторов, детонирующих шнуров и неэлектрических систем инициирования).
Применение загущающих крупнокристаллических веществ, в частности петролатума, способствует образованию в объеме в эмульсионных взрывчатых веществах конгломератов неконтролируемой формы и размеров в результате роста кристаллов и их срастания между собой при охлаждении и хранении в течение длительного промежутка времени, что также ведет к увеличению критического диаметра детонации и снижению чувствительности к взрывному импульсу первичных средств инициирования, вплоть до полной потери детонационных свойств ВВ.
Техническим результатом изобретения является создание предохранительного эмульсионного взрывчатого состава, предназначенного для формирования шпуровых зарядов с целью ведения взрывных работ в условиях подземных выработок угольных и сланцевых шахт, опасных по газу или пыли, за счет оптимизации эксплуатационных свойств, в том числе взрывчатых и предохранительных характеристик, а также его физической и химической стабильности в течение длительного срока хранения.
Предложен предохранительный эмульсионный взрывчатый состав для ведения взрывных работ шпуровыми зарядами, включающий воду, аммиачную и натриевую селитру в качестве окислительной фазы, углеводородную фазу в виде жидких хлорпарафинов марок ХП-418, ХП-470 (А, Б, A1, A2), ХП-600 (А и Б), ХП-52 с содержанием хлора в составе от 40 до 55% или твердых хлорпарафинов марок ХП-66Т (А, Б, В), ХП-1100 с содержанием хлора в составе от 65 до 72% в смеси с эмульгатором для промышленных эмульсионных взрывчатых веществ.
При необходимости регулирования кислородного баланса предохранительного эмульсионного взрывчатого вещества (при его существенном отличии от нулевого значения) в углеводородной фазе в качестве технологических добавок могут быть использованы масло индустриальное марок И-20А, И-30А, И-40А, И-50А, или мелкокристаллические парафины марок «С», «Т-1», или парафин нефтяной спичечный марки «НС», или его импортный аналог - INDRA 2119 производства «Raw Materials Corp.» в количестве 1,0÷7,0 мас.%.
Предложен предохранительный эмульсионный взрывчатый состав (ПЭВС), содержащий воду, аммиачную и натриевую селитру в качестве окислительной фазы, углеводородную фазу, пламегаситель и сенсибилизатор.
Отличием является то, что в окислительную фазу введен карбамид или калия хлорид, причем компоненты окислительной фазы взяты в эвтектических или близком к эвтектическим соотношениях, в качестве углеводородной фазы состав содержит эмульгатор для промышленных эмульсионных взрывчатых веществ индивидуально или в смеси с канифолью талловой или живичной сосновой, с жидким или твердым хлорпарафином с содержанием хлора в составе от 40,0 до 70% (масс.) и качестве пламегасителя содержит натрия или калия хлорид порошкообразный с дисперсностью частиц 300÷400 мкм, в качестве сенсибилизатора содержит полимерные микросферы «Expancel» DE(T) или стеклянные микросферы размером 60÷80 мкм, содержащие горючие газовые включения из изопропана или изобутана в оболочках из сополимеров и/или водный раствор нитрита натрия, обеспечивающие плотность конечного продукта в диапазоне 1,05÷1,20 г/см3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Окислительная фаза: | |
| селитра аммиачная | 60,0÷65,0 |
| селитра натриевая | 12,0÷18,0 |
| карбамид | 3,0÷8,0 |
| или калия хлорид | 3,0÷20,0 |
| вода | 5,0÷10,0 |
| Углеводородная фаза: | |
| эмульгатор | 0,5÷3,0 |
| канифоль талловая или сосновая живичная | 0,5÷3,0 |
| жидкий или твердый хлорпарафин | 5,0÷10,0 |
| Пламегаситель, включающий: | |
| натрия хлорид или калия хлорид порошкообразный | 3,0÷20,0 |
| Сенсибилизатор, включающий: | |
| микросферы полимерные | 0,05÷2,5 |
| или микросферы стеклянные | 1,0÷5,0 |
| и/или водный раствор нитрита натрия | 1,0÷2,5 |
Еще одним отличием является то, что эмульсионный взрывчатый состав может содержать технологическую добавку - масло индустриальное или мелкокристаллический парафина в количестве - 1,0÷7,0.
Термин сокращенный «ЭВВ» - эмульсионное взрывчатое вещество.
Заявляемый предохранительный взрывчатый состав обладает хорошей чувствительностью к взрывному импульсу стандартных первичных средств инициирования, способностью детонации в патронах номинальным диаметром 32, 36 мм и более, а также малым критическим диаметром, передачей детонации на расстояние между двумя патронами, оптимальной теплотой взрыва и скоростью детонации, предохранительными свойствами на уровне III-IV классов, а также физической стабильностью при хранении в течение длительного промежутка времени (до 12 мес).
Для изготовления предохранительного эмульсионного взрывчатого состава могут быть использованы следующие марки эмульгаторов для промышленных взрывчатых веществ отечественного производства и их зарубежные аналоги:
ТУ 7511903-589-92. Эмульгатор полиглицериновый талловый для промышленных взрывчатых веществ. Технические условия;
ТУ 7511903-631-93. Эмульгатор полимерный марки «РЭМ». Технические условия;
ТУ 84-08628424-806-2004. Полимерный эмульгирующий состав. Технические условия;
ТУ 2484-095-07511608-2012. Эмульгатор для эмульсионных промышленных веществ. Технические условия;
ТУ 38.4011014-94. Эмульгатор ВС-1. Технические условия;
Эмульгаторы торговой марки «Lubrisol» и другие с аналогичными характеристиками.
Примеры использования изобретения.
Пример 1. В аппарат приготовления окислительной фазы с постоянным подогревом и перемешиванием первоначально дозируют воду при массовой доле 8,0%. Подготовленные предварительно навески карбамида 5,0%, аммиачной и натриевой селитр при массовых долях 63,0% и 15,0%, соответственно, дозируют и перемешивают до полного растворения в следующей последовательности: карбамид - натриевая селитра - аммиачная селитра.
В аппарат подготовки углеводородной фазы, также оснащенный подогревом и постоянным перемешиванием, дозируют последовательно эмульгатор для промышленных взрывчатых веществ 2,0% (масс.) и жидкий хлорпарафин 7,0% (масс.) с массовой долей Cl2 в составе ~50,0%.
Подготовленные окислительную и углеводородную фазы перемешивают между собой в предварительном смесителе, оснащенном подогревом, и направляют в аппарат эмульгирования, где происходит изготовление эмульсионной матрицы. Технологический процесс изготовления эмульсии ведут в диапазоне температур 90±5°С.
Изготовленную эмульсионную матрицу по системе трубопроводов направляют в двухвальный смеситель с продольной выгрузкой, куда дозируют 5,0% (масс.) порошкообразного хлорида натрия или хлорида калия с размером частиц указанных компонентов в интервале значений 300÷400 мкм или их 70%-ные водные растворы (дозирование осуществляют с учетом массовых долей сухих компонентов), а также компоненты для сенсибилизации предохранительного эмульсионного взрывчатого состава, например только микросферы полимерные марки «Expancel» DE(T) при массовой доле 0,35% или только водный раствор натрия в чистом виде при концентрации в интервале значений (20,0±10,0) % (масс.) и массовой доле (2,0±1,0) %.
После чего осуществляют дальнейшее перемешивание с целью обеспечения однородности состава изготавливаемого взрывчатого вещества с его одновременным транспортированием в каскаде шнеков.
Качество сенсибилизации предохранительного эмульсионного взрывчатого состава контролируют по нормируемому показателю ПЭВС «плотность», значения которого должны находиться в интервале 1,05÷1,20 г/см3.
По каскаду шнеков-транспортеров изготовленный состав направляется в аппарат патронирования, а впоследствии на маркировку и упаковку изготовленных патронов - в транспортную тару.
Уравнение реакции взрывчатого превращения:
В результате протекания реакции взрывчатого превращения с использованием в составе углеводородной фазы жидкого хлорпарафина при массовой доле Cl2 в его составе ~50,0% (масс.) образуется пламегаситель - NaCl массовой долей 5,1%. Теплота взрыва - 740 ккал/кг. Количество образующихся газов взрыва - 866 л/кг.
Суммарное количество пламегасителей - воды, хлорида натрия, образовавшегося в процессе протекания реакции взрывчатого превращения, и порошкообразного NaCl, вводимого в изготовленную эмульсионную матрицу, обеспечивает предохранительные свойства на уровне требований, предъявляемым к взрывчатым веществам III класса предохранительности.
Пример 2. Для изготовления ЭВВ IV класса предохранительности используют твердый хлорпарафин с содержанием Cl2 в его составе ~70%.
Технологический процесс осуществляют при температуре 90±5°С в последовательности, изложенной в примере 1. При этом массовые доли компонентов в составе эмульсионной матрицы должны соответствовать значениям, % (масс.): селитра аммиачная - 61,0; селитра натриевая - 15,0; карбамид - 5,0; вода - 8,5; эмульгатор - 2,0; хлорпарафин - 8,5.
В двухвальный смеситель с продольной выгрузкой дозируют 5,0% (масс.) порошкообразного хлорида натрия (калия) с размером частиц в интервале значений 300÷400 мкм или их водные растворы (при массовых долях в пересчете на сухие вещества), а также компоненты, предназначенные для сенсибилизации взрывчатого состава, например только микросферы полимерные «Expancel» DE(T) при массовой доле 0,35%, или только водный раствор нитрита натрия (по примеру 1), или комбинированное применение водного раствора нитрита натрия в сочетании с полимерными микросферами «Expancel» DE(T). При этом массовые доли сенсибилизирующих компонентов регламентируются достижением нормируемого значения показателя «плотность» ПЭВС, находящимся в интервале 1,05÷1,20 г/см3.
Уравнение реакции взрывчатого превращения:
В результате реакции взрывчатого превращения с использованием твердых хлорпарафинов для компоновки углеводородной фазы эмульсионной матрицы выделяемая теплота взрыва заявляемого ЭВВ составит 742 ккал/кг, объем образующихся газов взрыва - 867 л/кг.
В результате протекания реакции образуется 9,95% NaCl. Суммарная масса пламегасителей обеспечивает уровень предохранительных свойств заявляемого состава, соответствующий требованиям IV класса предохранительности.
Пример 3. В аппарат приготовления окислительной фазы дозируют воду при массовой доле 8,0%. Подготовленные предварительно навески калия хлорида 5,0% (масс.), аммиачной и натриевой селитр при массовых долях 63,0% (масс.) и 15,0% (масс.), соответственно, дозируют и перемешивают до полного растворения в следующей последовательности: калия хлорид - натриевая селитра - аммиачная селитра.
В аппарат подготовки углеводородной фазы, также оснащенный подогревом и постоянным перемешиванием, дозируют последовательно эмульгатор для промышленных взрывчатых веществ 2,0% (масс.), масло индустриальное или парафин мелкокристаллический 1,0% (масс.), а также жидкий хлорпарафин (Cl2~50,0%) массовой долей 7,0%. Технологический процесс изготовления эмульсионной матрицы осуществляют в диапазоне температур 90±5°С.
В двухвальный смеситель дозируют 5,0% (масс.) порошкообразного хлорида натрия или хлорида калия с размером частиц в интервале значений 300÷400 мкм, а также компоненты для сенсибилизации предохранительного эмульсионного взрывчатого состава, например микросферы стеклянные при массовой доле 3,5% до получения нормируемого значения показателя «плотность», равного 1,05÷1,20 г/см3.
Уравнение протекания процесса взрывчатого превращения аналогично уравнению реакции в примере 1.
Совокупность пламегасителей воды и KCl, вводимых в эмульсионную матрицу при ее изготовлении, а также образующегося в результате реакции взрывчатого превращения NaCl (5,1 мас.%) и порошкообразных хлоридов натрия или калия, вводимых в двухвальный смеситель при массовой доле 5,0% (масс.), обеспечивает предохранительные свойства заявляемого эмульсионного взрывчатого состава на уровне требований IV класса предохранительности.
Пример 4. С целью обеспечения возможности введения абразивных порошкообразных пламегасителей (хлоридов натрия или калия) при массовой доле до 10% и более без разрушения капель эмульсионной матрицы для комплектации углеводородной фазы можно использовать, например, канифоль талловую при массовой доле - 1,0%. Остальные компоненты углеводородной фазы подготавливают в следующих массовых долях, (%): эмульгатор - 2,0; хлорпарафин (Cl2~70%) - 8,5.
Подготовку компонентов окислительной фазы осуществляют в следующих массовых долях, (%): воды - 8,5; хлорида калия - 5,0; селитры натриевой - 15,0; селитры аммиачной - 61,0. Технологический процесс изготовления эмульсионной матрицы ведут в диапазоне температур 90±5°С.
В двухвальный смеситель с продольной выгрузкой дозируют 10,0% (масс.) порошкообразного хлорида натрия (или калия) с размером частиц в интервале значений 300÷400 мкм, а также компоненты для сенсибилизации предохранительного эмульсионного взрывчатого состава, например, микросферы стеклянные при массовой доле 3,5% до получения нормируемого значения показателя «плотность», равного 1,05÷1,20 г/см3.
Уравнение протекания процесса взрывчатого превращения аналогично уравнению реакции в примере 2.
Совокупность пламегасителей воды и KCl, вводимых в эмульсионную матрицу при ее изготовлении, образующегося в результате химической реакции NaCl (9,95%), а также порошкообразных хлоридов натрия или калия, вводимых в двухвальный смеситель, обеспечивает предохранительные свойства заявляемого предохранительного эмульсионного взрывчатого состава на уровне требований IV класса предохранительности.
Пример 5. Повторен пример 1 с уменьшением массовой доли полимерных микросфер «Expancel» DE(T), вводимых во взрывчатый состав с целью его сенсибилизации, с 0,35% до 0,2%. При этом одновременно с полимерными микросферами дозировалась газогенерирующая добавка из водного 20%-ного раствора нитрита натрия при массовой доле 1,0%.
Нормируемое значение показателя «плотность» достигнуто по завершению процесса газогенерации через 24 ч. Заявляемый предохранительный эмульсионный взрывчатый состав соответствует требованиям III класса предохранительности.
Далее приводить примеры использования композиций предохранительного эмульсионного взрывчатого состава и способов их сенсибилизации не имеет смысла. Уже на приведенных примерах видно, что состав достаточно универсален и вариативен.
1. Предохранительный эмульсионный взрывчатый состав (ПЭВС), содержащий воду, аммиачную и натриевую селитру в качестве окислительной фазы, углеводородную фазу, пламегаситель и сенсибилизатор, отличающийся тем, что в окислительную фазу введен карбамид или калия хлорид, причем компоненты окислительной фазы взяты в эвтектических или близком к эвтектическим соотношениях, в качестве углеводородной фазы состав содержит эмульгатор для промышленных эмульсионных взрывчатых веществ индивидуально или в смеси с канифолью талловой или живичной сосновой, с жидким или твердым хлорпарафином с содержанием хлора в составе от 40,0 до 70 мас.%, в качестве пламегасителя содержит натрия или калия хлорид порошкообразный с дисперсностью частиц 300-400 мкм, а в качестве сенсибилизатора содержит полимерные микросферы «Expancel» DE(T) или стеклянные микросферы размером 60-80 мкм, содержащие горючие газовые включения из изопропана или изобутана в оболочках из сополимеров и/или водный раствор нитрита натрия, обеспечивающие плотность конечного продукта в диапазоне 1,05-1,20 г/см3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Окислительная фаза: | |
| селитра аммиачная | 60,0-65,0 |
| селитра натриевая | 12,0-18,0 |
| карбамид | 3,0-8,0 |
| или калия хлорид | 3,0-20,0 |
| вода | 5,0-10,0 |
| Углеводородная фаза: | |
| эмульгатор | 0,5-3,0 |
| канифоль талловая или сосновая живичная | 0,5-3,0 |
| жидкий или твердый хлорпарафин | 5,0-10,0 |
| Пламегаситель, включающий: | |
| натрия хлорид или калия хлорид порошкообразный | 3,0-20,0 |
| Сенсибилизатор, включающий: | |
| микросферы полимерные | 0,05-2,5 |
| или микросферы стеклянные | 1,0-5,0 |
| и/или водный раствор нитрита натрия | 1,0-2,5 |
2. Эмульсионный взрывчатый состав по п.1, отличающийся тем, что содержит технологическую добавку - масло индустриальное или мелкокристаллический парафин в количестве 1,0-7,0.
