Смесевое жидкое взрывчатое вещество

Изобретение относится к смесевым жидким взрывчатым веществам простейшего состава, изготавливаемым на местах ведения взрывных работ и предназначенным для использования в горнорудной промышленности, а также к набору для приготовления указанных жидких взрывчатых веществ. Жидкое взрывчатое вещество содержит концентрированную азотную кислоту в качестве окислителя и один или несколько алифатических или циклических сульфонов общей формулы R-SO₂-R', в качестве восстановителя, где R и R' независимо представляют собой алкил с 3-12 атомами углерода или R и R' представляют собой двухвалентный алифатический незамещенный или замещенный радикал с 4-5 атомами углерода, вместе с SO₂ образующий цикл. Массовое соотношение окислителя и восстановителя находится в пределах 50%-200% от значения, соответствующего нулевому кислородному балансу. Изобретение позволяет улучшить энергетические и детонационные свойства промышленных взрывчатых веществ, а также повысить их безопасность и снизить воздействие на окружающую среду в силу их эксплуатационных и технологических характеристик. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 3 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к промышленным взрывчатым веществам простейшего (т.е. не содержит в составе штатных ВВ) смесевого состава, предназначенным для проведения взрывных работ в горнорудной и других отраслях промышленности и изготавливаемым на местах ведения взрывных работ, а также набору для приготовления указанных взрывчатых веществ.

Уровень техники

Промышленные взрывчатые вещества представляют собой смеси веществ, состоящие, как минимум из двух компонентов. Один из компонентов таких смесей, как правило, имеет избыток кислорода (окислитель), а второй компонент является взрывчатым или невзрывчатым горючим (восстановитель). Простейшие взрывчатые вещества не содержат в своем составе штатных ВВ. Компоновка взрывчатых смесей со стехиометрическим соотношением горючего и окислителя позволяет наиболее полно реализовать потенциальные энергетические возможности смеси и минимизировать содержание вредных или ядовитых газов в продуктах взрыва. Взрывчатые смеси могут представлять собой газообразные, жидкие, твердые системы, как гомогенные, так и гетерогенные.

Из смесей, содержащих азотную кислоту, широко известны «составы Шпренгеля». В качестве горючего в них использовались нитробензол, нитронафталин, сероуглерод, нефтепродукты, пикриновая кислота, а в качестве окислителей - дымящая азотная кислота или жидкая двуокись азота (Encyclopedia of explosives and related items./ Kaye, Seymour M. & Herman, Henry L. Vol 9 - Piccatiny Arsenal Dover, New Jersey, USA - 1980). Они применялись в горном деле в конце 19-го века, но были вытеснены более удобными и безопасными взрывчатыми составами.

Известны случаи использования смесей на основе азотной кислоты в СССР в военное время. Так, в 1941 г. для снаряжения авиабомб с бесшовными корпусами использовали смесь «КД», состоящую из азотной кислоты, дихлорэтана и олеума (соотношение 60:40:30) (Широкорад А. Б. История авиационного вооружения. Краткий очерк / Под общ. ред. А. Е. Тараса. - Мн.: Харвест, 1999. - 560 с.). Олеум предназначался для уменьшения разъедающего действия смеси.

Известны взрывчатые композиции (патенты США №№3,442,727 и 3,282,754), представляющие собой дисперсные системы, содержащие азотную кислоту, нефтепродукты и эмульгаторы. Они не нашли широкого применения из-за повышенной чувствительности к ударно-волновым воздействиям и нестабильности детонационных характеристик.

Известен ряд взрывчатых композиций на основе азотной кислоты, где в качестве горючего используются нитропарафины (патент США №3,454,438; патентная заявка Великобритании GB 2148869 A).

Наиболее близким аналогом является химически и физически стабильная жидкая однофазная система, включающая азотную кислоту, горючее из набора алифатических и ароматических нитросоединений, а также десенсибилизатор (Европейская патентная заявка EP 0102181 A2). Было установлено, что такие смеси обладают повышенной чувствительностью к ударно-волновым воздействиям, а использования десенсибилизаторов для снижения чувствительности к такому воздействию существенно уменьшает энергию взрыва.

Описанные жидкие взрывчатые композиции на основе азотной кислоты отличаются низкой стоимостью. При этом основным недостатком жидких взрывчатых смесей на основе азотной кислоты, разработанных ранее, являлось то, что они не образуют гомогенный раствор с азотной кислотой, либо такие растворы расслаиваются при хранении. Также они являются химически нестабильными при длительном контакте с концентрированной азотной кислотой и обладают повышенной взрывоопасностью. Поэтому, несмотря на многообразие существующих составов, все еще существует потребность в недорогих, безопасных, эффективных и надежных жидких взрывчатых веществах.

Краткое описание настоящего изобретения

Целью настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств в области жидких взрывчатых веществ промышленного назначения и предоставление смесевого жидкого взрывчатого вещества с улучшенными эксплуатационными, энергетическими и детонационными характеристиками.

Указанная цель была достигнута посредством создания жидкого взрывчатого вещества, содержащего концентрированную азотную кислоту в качестве окислителя и алифатический или циклический сульфон в качестве восстановителя, и обладающего улучшенными энергетическими и детонационными характеристиками, а также нечувствительного к механическим воздействиям. К тому же указанное жидкое взрывчатое вещество может изготавливаться из невзрывчатых компонентов непосредственно на месте применения простым и относительно безопасным способом.

Настоящее изобретение представляет собой жидкое взрывчатое вещество, содержащее концентрированную азотную кислоту в качестве окислителя и алифатический или циклический сульфон в качестве восстановителя.

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения концентрация азотной кислоты составляет 80-98%, предпочтительно 96±2%.

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения алифатический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SCh-R', где R и R' независимо представляют собой алкил с 3-12 атомами углерода.

В еще одном из вариантов выполнения настоящего изобретения циклический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SO₂-R', где R и R' вместе представляют собой двухвалентный алифатический незамещенный или замещенный радикал с 4-5 атомами углерода, который вместе с SO₂ образует цикл.

В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения массовое соотношение окислителя и восстановителя соответствует нулевому кислородному балансу.

В еще одном из вариантов выполнения настоящего изобретения массовое соотношение окислителя и восстановителя находится в пределах 50% - 200% от значения, соответствующего нулевому кислородному балансу.

В еще одном из вариантов выполнения настоящего изобретения массовое содержание окислителя находится в пределах 60 - 90% от общей массы взрывчатого вещества.

Настоящее изобретение также представляет собой набор для приготовления жидкого взрывчатого вещества по любому из указанных выше вариантов, содержащий емкость с концентрированной азотной кислотой и емкость с алифатическим или циклическим сульфоном.

Описание чертежей

На Фиг. 1 представлена диаграмма зависимости скорости детонации жидкого взрывчатого вещества от содержания восстановителя. Стрелки указывают на затухание взрывного процесса.

Подробное описание настоящего изобретения

Взрывчатые смеси типа окислитель-горючее, состоящие из крупнодисперсных невзрывчатых компонентов, имеют низкие детонационные характеристики: пониженную восприимчивость к детонационному импульсу и детонационную способность. В случае использования жидких взрывчатых композиций детонационные характеристики могут быть повышены за счет приготовления гомогенных смесей, обеспечивающих более тесный контакт окислителя с горючим.

Настоящее изобретение представляет собой жидкое взрывчатое вещество на основе системы "окислитель-восстановитель", в которой окислителем является концентрированная азотная кислота, а в качестве восстановителя используют один или несколько алифатических или циклических сульфонов.

Также настоящее изобретение представляет собой набор для приготовления указанного жидкого взрывчатого вещества, содержащий емкость с концентрированной азотной кислотой и емкость с алифатическим или циклическим сульфоном.

Изготовление смесевого жидкого взрывчатого вещества осуществляют путем механического смешения компонентов с использованием приспособлений и оборудования, изготовленного из кислотостойких материалов.

Азотная кислота является недорогим, широко распространенным продуктом промышленного производства. В качестве концентрированной азотной кислоты используют азотную кислоту концентрации 80-98%. Использование концентрированной азотной кислоты концентрации 96±2% является наиболее предпочтительным с точки зрения детонационных характеристик.

В качестве восстановителя используют один или несколько сульфонов. Сульфоны являются химически инертными соединениями и не вступают в реакции с окислителями и разбавленными кислотами и щелочами. Также сульфоны отличаются невысокой токсичностью.

В качестве восстановителя в настоящем изобретении используют алифатический или циклический сульфоны общей формулы R-SO₂-R', где R и R' независимо являются алкилом с 3-12 атомами углерода, или R и R' вместе представляют собой двухвалентный алифатический незамещенный или замещенный радикал с 4-5 атомами углерода, который вместе с SO₂ образует цикл.

Одним из примеров циклического сульфона является сульфолан (тетраметиленсульфон), имеющий следующую формулу:

.

Также возможно использование нефтяного сульфона, представляющего собой смесь, содержащую примерно 90% различных сульфонов и 10% других углеводородистых соединений.

В ходе создания настоящего изобретения было выявлено, что сульфоны указанной формулы образуют с азотной кислотой гомогенные, нерасслаивающиеся смеси. Кроме того, такие сульфоны химически стабильны в растворах азотной кислоты. Так, не было зафиксировано образования продуктов разложения сульфонов методом ЯМР при выдерживании его в течение месяца в концентрированной азотной кислоте.

За счет образования указанными компонентами гомогенных смесей повышаются теплота и температура взрыва, чувствительность к детонационному импульсу, улучшается физическая стабильность системы, повышаются параметры детонации, происходит снижение чувствительности к механическим воздействиям и критического диаметра детонации.

Параметры взрыва определяются детонационными, энергетическими характеристиками взрывчатой смеси. Энергетические характеристики взрывчатой смеси определяются типом и соотношением компонентов. Поэтому для оптимизации характеристик взрыва, учитывая прочность горных пород, диаметр и глубину бурения скважин, а также требования по качеству дробления породы, стоимости буровзрывных работ, повышения эффективности взрывных работ и экологической чистоты продуктов взрыва, технологичности заряжания скважин, целесообразно использовать взрывчатые вещество смеси со стехиометрическим соотношением компонентов, системы "окислитель-восстановитель", когда количество кислорода соответствует количеству окисляемых компонентов взрывчатого вещества (нулевым кислородным балансом). Под термином "кислородный баланс" понимают отношение количества кислорода, содержащегося во взрывчатом веществе к его количеству, необходимому для полного окисления всех остальных компонентов этого взрывчатого вещества.

Как показали исследования разных сульфонов, отсутствуют основания полагать, что формула сульфона оказывает существенное влияние на взрывчатые свойства состава, если соблюдаются условия гомогенности смеси и кислородного баланса.

Эксперименты, проведенные со смесью сульфона с азотной кислотой, у которой концентрация понижена до 80%, показали, что данная смесь также остается взрывчатой, но ее детонационная способность существенно снижается по сравнению со стехиометрической смесью. Очевидно, что наличие в данном составе 20% воды делает ее менее взрывоопасной и по другим показателям.

Испытания показали, что по скорости детонации новое жидкое взрывчатое вещество, составленное из невзрывчатых веществ, обладает высокими параметрами детонации, имеет высокую детонационную способность (превосходит тротил, уступает гексогену и нитроглицерину) и хорошую чувствительность к стандартным средствам инициирования, но в отличие от этих и других бризантных взрывчатых веществ остается при этом нечувствительным к механическим воздействиям.

Так как азотная кислота замерзает при температуре минус 41,6°C, а кипит при температуре плюс 82,6°C, составы на ее основе могут эффективно применяться в различных климатических условиях при проведении специальных взрывных работ, разрушении горных пород высокой крепости и конструкций из материалов, обладающих высокой прочностью.

Поскольку общее число компонентов в смеси равно двум, снижается вероятность ошибки операторов при смешении в производственных условиях. Низкая чувствительность делает предлагаемые смеси безопасными для использования персоналом, а взрывобезопасность компонентов смеси существенно упрощает их перевозку и подготовку к использованию.

Примеры

Настоящее изобретение более подробно разъяснено ниже со ссылкой на примеры его осуществления, служащие исключительно для иллюстративных целей и никоим образом не ограничивающих объем настоящего изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения.

Пример 1. Изучение детонационных свойств взрывчатого вещества.

Расчетные характеристики взрывчатых свойств для смесей азотной кислоты с различными сульфонами при стехиометрическом соотношением компонентов (нулевой кислородный баланс) приведены в Таблице 1.

Расчет теплоты взрыва и объема газовых продуктов производился в соответствии с алгоритмом, приведенным в монографии «Физика взрыва. Т. 1», под ред. Орленко Л.П. (2004). М.: Наука, 832 с.

Результаты расчетов показывают, что независимо от типа сульфона новое взрывчатое вещество обладает высокой теплотой взрыва и при взрыве образуется достаточно большое количество газообразных продуктов. Для сравнения теплота взрыва тротила составляет 1010 ккал/кг, что существенно меньше, чем у взрывчатого вещества согласно настоящему изобретению, при объеме газообразных продуктов 730 л/кг. Теплота взрыва современного эмульсионного промышленного взрывчатого вещества "Сибирит-1000" ТУ 7276-019-05608605-2005 составляет всего 730 ккал/кг, что на 80% меньше, чем у самой низкоэнергетической смеси азотной кислоты с сульфоном.

Основные взрывчатые свойства нового взрывчатого вещества, характеризующие его детонационные параметры, чувствительность и стабильность, экспериментально определялись для смеси азотной кислоты с диизобутилсульфоном, обладающей средними энергетическими параметрами. Результаты испытаний для смеси со стехиометрическим соотношением компонентов (нулевом кислородном балансе) приведены в Таблице 2.

Скорость детонационной волны определялась как средняя величина на участке заряда известной длины, расположенном между двумя соседними датчиками, с использованием результатов измерения времени прохождения детонационной волной этого участка. Для работы с агрессивными жидкостями применялись специально разработанные датчики электроконтактного типа, замыкающие электрическую цепь при прохождении детонационного фронта. Для измерения интервалов времени применялась электрическая схема, в который на каждый датчик через R-C цепочку подавалось напряжение 10В постоянного тока. Электрические сигналы регистрировались с помощью цифрового осциллографа, точность определения временных интервалов была не хуже 5 нс. В каждом опыте использовалось по четыре датчика, установленных с наружной стороны оболочки заряда перпендикулярно ее оси. Длина заряда была не менее десяти диаметров, первая база измерений располагалась от плоскости инициирования на расстоянии шести диаметров заряда.

Полученные данные показывают, что по скорости детонации новое жидкое взрывчатое вещество, составленное из невзрывчатых веществ, превосходит тротил и нитрометан, уступает гексогену и нитроглицерину. При этом оно обладает необходимой по требованиям классификации ООН химической стабильностью, достаточной высокой температурой воспламенения/вспышки и детонационной способностью, превосходящей большинство взрывчатых веществ промышленного назначения.

Пример 2. Изучение влияния соотношения окислителя и восстановителя на детонационные свойства взрывчатого вещества

Экспериментальным путем определяли концентрационные пределы, при которых новое жидкое взрывчатое вещество остается способным к детонации. С этой целью измеряли скорость детонации двухкомпонентных смесей с различным соотношением между азотной кислотой и диизобутилсульфоном. Результаты измерений в оболочке из полипропилена с диаметром 21 мм и толщиной стенки 5,5 мм приведены в Таблице 2. Для наглядности указанные данные также приведены на Фиг. 1.

¹АКК - концентрированная азотная кислота; ²СОН - сульфон; * отмечен состав с нулевым кислородным балансом (стехиометрическим соотношением компонентов)

Представленные данные демонстрируют, что скорость детонации жидкого взрывчатого вещества не опускалась ниже 6100 м/с при содержании кислоты в диапазоне от 61,5 до 86,5%. Следует отметить, что этот диапазон может быть расширен за счет увеличения диаметра заряда.

Полученные данные показывают, что при заметных отклонениях от стехиометрического соотношения компонентов (от нулевого кислородного баланса) новое взрывчатое вещество продолжает сохранять хорошую детонационную способность и высокие параметры детонации.

Эксперименты, проведенные со смесью сульфона с азотной кислотой, у которой концентрация понижена до 80%, показали, что данная смесь также остается взрывчатой, но ее детонационная способность существенно снижается по сравнению со стехиометрической смесью.

Пример 3. Изучение чувствительности взрывчатого вещества к механическим воздействиям

Для определения чувствительности к удару взрывчатого вещества согласно настоящему изобретению был выбран состав, содержащий 78,2% азотной кислоты и 21,8% диизобутилсульфона. Исследования проводили по методике ГОСТ 4545-88 "Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к удару". В основной серии испытаний определяли количество взрывов на копре К-44-II из 25 испытаний при сбрасывании груза массой 10 кг на образец жидкого взрывчатого вещества объемом 0,044 см³ с высоты 250 мм. За взрыв принималось взрывчатое превращение вещества, сопровождаемое звуковым эффектом, пламенем или следами ожогов на роликах или муфте прибора.

Ни в одном из 25 опытов не наблюдалось взрывчатого превращения вещества, сопровождаемого звуковым эффектом, пламенем или следами ожогов на роликах или муфте прибора. Частость взрывов составила 0%. Затем высота сбрасывания груза массой 10 кг была увеличена до 1000 мм, при этом колпачок заполнялся составом до полного объема, составлявшего 0,088 см³. Результат испытаний не изменился, и при более высоких механических нагрузках взрывчатого превращения состава не наблюдалось. Полученный результат позволяет сделать вывод, что взрывчатые вещества согласно настоящему изобретению обладают низкой чувствительностью к механическим воздействиям.

Хотя настоящее изобретение описано в деталях выше, для специалиста в указанной области техники очевидно, что могут быть сделаны изменения и произведены эквивалентные замены, и такие изменения и замены не выходят за рамки настоящего изобретения, определяемые приложенной формулой изобретения.

1. Жидкое взрывчатое вещество, содержащее концентрированную азотную кислоту в качестве окислителя и алифатический или циклический сульфон, или их смесь, образующие с концентрированной азотной кислотой гомогенную смесь, в качестве восстановителя, при этом массовое соотношение окислителя и восстановителя находится в пределах 50% - 200% от значения, соответствующего нулевому кислородному балансу.

2. Жидкое взрывчатое вещество по п. 1, отличающееся тем, что концентрация азотной кислоты составляет 80-98%.

3. Жидкое взрывчатое вещество по п. 2, отличающееся тем, что концентрация азотной кислоты составляет 96±2%.

4. Жидкое взрывчатое вещество по п. 1, отличающееся тем, что алифатический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SO₂-R', где R и R' независимо представляют собой алкил с 3-12 атомами углерода.

5. Жидкое взрывчатое вещество по п. 1, отличающееся тем, что циклический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SO₂-R', где R и R' вместе представляют собой двухвалентный алифатический незамещенный или замещенный радикал с 4-5 атомами углерода, который вместе с SO₂ образует цикл.

6. Жидкое взрывчатое вещество по п. 1, отличающееся тем, что массовое соотношение окислителя и восстановителя соответствует нулевому кислородному балансу.

7. Жидкое взрывчатое вещество по п. 1, отличающееся тем, что массовое содержание окислителя находится в пределах 60-90% от общей массы взрывчатого вещества.

8. Набор для приготовления жидкого взрывчатого вещества по любому из пп. 1-7, содержащий емкость с концентрированной азотной кислотой и емкость с алифатическим или циклическим сульфоном.

9. Набор по п. 8, отличающийся тем, что концентрация азотной кислоты составляет 80-98%.

10. Набор по п. 9, отличающийся тем, что концентрация азотной кислоты составляет 96±2%.

11. Набор по п. 8, отличающийся тем, что алифатический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SO₂-R', где R и R' независимо представляют собой алкил с 3-12 атомами углерода.

12. Набор по п. 8, отличающийся тем, что циклический сульфон представляет собой сульфон общей формулы R-SO₂-R', где R и R' вместе представляют собой двухвалентный алифатический незамещенный или замещенный радикал с 4-5 атомами углерода, который вместе с SO₂ образует цикл.